矿用掘进机电控系统的设计_孟镭

射器上发光管的指示。
·测 试 与 控 制·
接收机正常工作时， 输出继电器吸合； 若接收机超
过 1 秒钟接收不到来自发射器的数据信号， 则进入急停
状态， 输出继电器断开， 直至接收机重新接收到数据信
号为止。
遥控不仅实现对电机的控制， 而且实现对液压油缸
的控制。 因此， 它实现的电气控制要比手动控制多， 也
内电磁阀的集中控制， 如图 5 所示。 电磁阀控制箱里放
置 CAN I/O 从站， 其由 CAN I/O 总线控制器、 数字量输
出 模 块 、 PWM 模 块 、 继 电 器 驱 动 板 等 组 成 。 电 磁 阀 控
电磁阀 比例电磁阀
继电器输出
PWM
电磁阀控制箱
CAN
图 5 电磁阀控制箱
制程序由电气控制箱内的中央控 制器实现， 中央控制器发出的信 息 通 过 DP 总 线 发 送 到 电 磁 阀 控 制箱的 CAN I/O 从 站 ， 实 现 对 各 个电磁阀的开关和比例控制。 比
行扫描， 并在有按钮按下时
识别出该按钮， 并把该按钮
控
制
的功能按照 Modbus 协 议 传 输
器
到中央控制器。
（4）传感 器 运 用 。 掘 进 机 上的传感器具有两种功能， 一种是对设备上关键元部件
图 4 以 Modbus 协议的本 机操作
的监测和保护， 另一种实时显示掘进机的姿态、 截割高
度、 截割油缸掏槽深度等。
PT100 信号检测。 控制模块内的控制器对采集的信号分
析、 处理、 判断， 发现故障时， 直接输出给驱动执行机
构， 并把具体的故障信号传送给中央控制器。 控制模块
实时采集周期性交流电量信号， 通过快速傅立叶算法，
计算出负荷的电流、 电压、 功率因数、 有功功率、 电度
等， 并对以上采集到的电量分析、 判断后， 进行过流、
运 行 状 态 和 故 障 参 数 通 过 DP 总 线 传 送 给 中 央 控 制 器 ，
如图 2 所示。
控制模块 1
控制模块 2
控制模块 n
控制模块不仅
集 成 DP 总 线 、 模
DP 中央控制器 图 2 中央控制器和控制模块的 DP 通信
拟量模块、 数字量 模块和具有处理周 期性交流电量信号
的采样模块等， 而且还能实现漏电闭锁、 过热保护、
关键词： 现场总线； 传感器； 电磁阀； 遥控； 抗干扰 中图分类号： TP23 文献标识码： A doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.051
The Design of Electric Control System of Mining Machine
MENG Lei （Taiyuan Research Institute of CCTEG, Taiyuan Shanxi 030006, China ） Abstract: One kind of intelligent electrical control system used the excavation mining equipment is introduced.The structure and characteristics of the electrical control system are described. The function of each part, the principle and its implementation are explained. The software design and anti-jamming technology are gived. Field application results show that the electrical control system is simple, advanced technology, high intelligence, easy maintenance, stable and reliable. Key words: fieldbus； sensor； magnetic valve； remote control； anti-interference
器检测减速器齿轮油润滑油压力和临时支护压力， 防止
润滑油压和支护压力的减小。
在煤矿开采过程中， 由于空间狭小， 煤尘较大， 顶
板破碎而导致的安全问题， 驾驶室内的操作者很难看清
截割头实际位置而导致欠挖或超挖现象， 不仅增加了支
护困难， 而且带来了很大的安全问题。 因此， 实现掘进
机截割轨迹可视化， 就是使操作者根据液晶显示屏的截
修稿日期： 2014－03－11 作者简介： 孟镭（1985-），男，现在中国煤炭科工集团太原 研 究 院从事煤矿电气自动化方面的研究和设计工作。
动控制、 遥控、 自动截割、 组网通讯、 故障诊断功能等。
1 系统整体设计
电控系统主要由电气控制箱、 电磁阀控制箱、 遥控
接收机、 显示箱、 传感器、 操作箱等组成， 如图 1 所
例电磁阀控制割煤速率， 当掘进机的负荷超出预定设定
值时， 以一定的比例关系减小 PWM 模块的输出电压。
（6）掘进机人机界面。 为了方便用户及时了解掘进机
的工作情况和故障状态， 提高工作效率， 缩短查找故障
时间， 实现良好的故障诊断功能， 掘进机设计了工业液
晶显示屏。
工业液晶屏是连接人和掘进机的人机界面， 它是代
割轨迹决定截割动作。 为了实现对截割过程的监控， 要
安装悬臂水平、 上下摆动的角位移传感器， 以采集截割
头在截割断面中的位置坐标。
掘进机中的一些设备采用掘进和支护并行工作方
135
·测 试 与 控 制·
式， 这种方式的截割结构为截割臂以滑架结构运动在固
定机架的滑道上。 煤矿井下工作面煤尘很大、 巷道较
有组态软件的昆仑通态 10.4 寸液晶显示器。
组态软件是一些数据采集和过程控制的专用软件，
窄， 操作人员很难看清截割臂相对机架的运动距离。 因
此， 在固定机架的滑道上安装位移传感器， 其利用磁致
伸缩原理， 测出截割臂与机架的相对距离， 即截割臂滚
筒的掏槽深度， 并以图形形式显示到液晶显示器上。
（5）电磁阀分布式控制。 为了减少设备上复杂接线 ，
提高可靠性， 设计电磁阀控制箱， 实现对掘进机一区域
0 引言
煤矿井下电气系统的发展与掘进机技术的进步息息 相关， 随着我国煤矿井下采掘方式由简单机采发展到综 采机械化采煤， 煤矿井下对电控系统的要求越来越高。 电控系统作为掘进机设备的主要组成部分， 其现场运行 的可靠性直接影响煤矿的生产效率， 而技术的先进性将 有助于降低工人劳动强度、 提高设备的使用寿命。 当 前， 现场总线技术已经渗透到各个行业， 运行的稳定性 越来越高[1]； 传感器技术得到了突飞猛进的发展， 使用的 可靠性获得了很大的提高； 控制器已经具有高的集成度 和多种功能。 可见， 电气技术的发展为研制高性能的智 能化控制系统提供了可能， 本文以掘进机多回路负荷的 控制保护为基础， 结合适用于煤矿井下掘进机的功能控 制要求， 利用新的现场总线、 传感器、 周期性电量的交 流采样技术以及运用新的控制器技术， 设计了应用于煤 矿井下掘进机的智能电气控制系统， 实现了掘进机的自
就是说， 手动控制下直接扳动液压操纵阀的操作被转移
到遥控器上来了。
遥控发射器除实现满足控制系统的控制功能外， 还
能设定控制系统的运行参数， 如电机启动延时时间、 截
割高度、 掏槽深度、 闭锁关系的建立和解除、 保护值的
设置等。
（3）本机操作。 本机操作共有 16 个按钮，用于实现掘
进机电机启停、 故障复位、 操作方式选择、 预警信号、
孟镭
（中国煤炭科工集团 太原研究院， 山西 太原 030006）
摘 要： 介绍了应用于掘进机的电控系统统， 描述了电气控制系统的结构、 特点， 阐述了各部分的功能、 原 理及其实现方法， 给出了电气控制系统的软件设计及抗干扰技术。 现场应用结果表明： 电气控制系 统结构简单、 技术先进、 智能化程度高、 维护方便、 运行稳定可靠。
示。 电气控制系统实现了对设备上多个电机的复合逻辑
控制和保护、 电磁阀的控制和比例调节、 本机控制、 遥
控控制、 图形显示、 网络通 讯、 自动截割、 掘进断面控 制、 液压系统和减速器齿轮润 滑油的检测与保护等功能。
电气控制箱内的中央控制
电磁阀控制箱 遥控接收机
CAN2
CAN1 电气控制箱
模拟量 Modbus
过载、 缺相、 过压、 欠压等保护。 控制模块的供电电源
为 220V， 并 能 变 换 出 工 作 所 需 的 各 种 电 源 。 每 个 控 制
模块都有独立的 DP 地址， 并能通过硬件改 变 模 块 的 地
址， 以实现各个控制模块功能的互换。
（2）远控操作。 遥控接收机与本安遥控发射器配合使
用构成无线通讯系统， 如图 3 所示。 接收机与发射机之
备上布置多个本质安全型传感器， 输出信号传送给电气
控制箱内的隔离栅， 经隔离和信号转换后输入到电气控
制箱内的中央控制器。
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2 控制系统各部分原理
电控系统总体设计描绘了各电气部分之间通讯和现
场信号采集的结构， 掘进机上电气控制功能的最终实现
依赖于各个电气部分的可靠运行。
（1）电气控制箱内主回路控制。 主回路控制模块内的
间能够以无线、 有线两种方式进行双向通信。 接收机将
来 自 发 射 器 的 控 制 信息 以 非 本 安 的 CAN 总 线 方 式 转 发
给掘进机的中央控制器， 中央控制器根据接收的控制信
天线
息确定执行的动作，
遥控 有线 接收机 电缆
钥匙开关 充电电池 并 驱 动 执 行 机 构 。
电
A
气
B
控
制
急停
第 27 卷第 3 期 ·测2试01与4 年控5制月·
机电产品开发与创新
Development ＆ Innovation of Machinery ＆ Electrical Products
文章编号： 1002－6673 （2014） 03－134－04
矿用掘进机电控系统的设计
Vol．27,No．3 May．,2014
显示界面翻转等。 控制器采用价格低廉、 可靠性高的
AT89C52， 配以相应的外围接口实现对各个 控 制 按 钮 信
号 的 可 靠 采集 和 以 Modbus 协 议 的 信 息 传 输 。 按 钮 组 成
4×4 行列式排列， 如图 4 所示， 采用定时扫描方 式， 单
片机响应中断后， 对按钮进
Modbus
替传统控制面板和键盘的智能化显示终端， 用来设置参
数， 显示数据、 图形和以动画形式描绘掘进机的控制过
程。 工业液晶屏与中央控制器配套使用， 一方面扩展了
中央控制器功能， 使中央控制器内部参数实时显示； 另
一方面大大减少了控制面板上的按钮、 开关以及仪表的
使用数量。 经过系统分析比较和技术论证， 最终选择嵌
器 集 成 CAN、 DP、 Modbus 三 显示箱 传感器 操作箱
个现场总线， 中央控制器与各 图 1 系统总体设计
个主回路控制模块之间采用 DP 总 线 ； 中 央 控 制 器 与 显
示箱、 电磁阀控制箱、 遥控接收机之间采用 CAN 总线；
中 央控 制 器 与 操 作 箱 之 间 采 用 Modbus 总 线 。 此 外 ， 设
控制器配以相应的外围接口及信号处理电路， 在模块化
软件的支持下对周期性电量交流采样， 实现各个主回路
电机的本地/遥控控制， 完成对所控制电机的过流 、 过
载、 断相、 过热、 过压、 欠压以及漏电闭锁等多种保护
功能。 中央控制器和各个控制模块之间进 行 双 向 DP 通
ห้องสมุดไป่ตู้信， 控制模块在接收中央控制器控制信号的同时， 并把
箱
+24V
A
电源开关
B 遥控发射机 操作手柄
7.2V
按钮
拨动开关
0V
控制信息的内容是 发射器键盘上操作 部件的状态， 包括
G
电量指示灯 急停开关 开 关 、 按 钮 、 急 停
图 3 遥控系统原理框图
等 38 个 开 关 信 号 和
左右履带行走 2 个模拟信号。 另一方面接收机也可以将
电气控制箱内的中央控制器指令转发给发射器， 控制发
温度传感器采集掘进机液压油箱油温和减速器齿轮
润滑油温， 当油温升到一定值时， 控制器输出保护信
号， 对应工作停止。 油位传感器检测油箱的油位， 防止
油箱被吸空， 保护液压元件。 掘进机上布置有水路系
统， 用于给大功率电机冷却和工作降尘， 当水的压力和
流量达不到设定值时， 闭锁掘进机截割电机。 压力传感