基于PCC控制的交流变频电牵引采煤机

1 引言

　　采煤机是综采工作面的主要设备，它的正常运转决定着综采工作面的生产效率。采煤机的性能是否可靠，一方面取决于机械部分的设计与制造，以及是否合理地使用，另一方面取决于电气控制系统是否完善有效。如果将采煤机比作人，机械部分就是人的四肢和躯干，电气部分就是人的大脑，所以，电气控制系统在采煤机中至关重要。目前国产采煤机的电气控制系统的控制器基本上都是各种品牌的PLC，虽然由PLC控制的采煤机具有监测和故障诊断功能，基本能满足使用的要求。但由于采煤机工作环境恶劣，零部件多，结构复杂，致使采煤机司机不能及时掌控采煤机的各项运行参数，可能使采煤机带病工作，进而出现故障，为了提高采煤机的开机率，必须增加采煤机远程监测和故障诊断功能。还有，由于综采工作面矿工劳动强度太大，急需降低，必须建立自动化综采工作面，那么采煤机就必须具有记忆截割的功能。另外，由于采煤机电控箱空间的限制，如果采用现场总线，将在提高电气控制系统可靠性地同时更有利于安装和维修。要使采煤机具有远程监测和故障诊断与记忆截割的功能，并且使用现场总线，如果电气控制系统不作出革新，就很难满足需求。为了适应发展，西安煤矿机械公司开发了以贝加莱工业自动化的PCC（Programmable Computer Controller）为控制器的新型电气控制系统。

2 采煤机电气控制系统设计

　　采煤机是多电动机联动、技术要求较高的机械设备。它工作在潮湿、多尘、震动、高瓦斯的矿井，并且工况环境复杂多变，以及自身重量很大，惯性大，还要求能够方便地操作、低故障率等，这就给采煤机电气控制系统的设计提出了很高的要求。采煤机的电气控制系统框图如图1所示。

　　（1）控制计算机（采用贝加莱的PCC）

　　控制计算机（由2003系列PCC的CPU模块和通讯块组成）是采煤机电气控制系统的核心，采煤机正常工作时，变频器的牵引方向、加减速控制、左右摇臂升降、制动抱闸的开断、左右截割电动机的温度监测、牵引变压器温度监测、牵引和截割电动机的电流采样，以及采煤机恒功率保护、过零保护、瓦斯断电保护、截割电动机过载保护等均通过控制计算机来实现。

　　控制计算机接收开关量输入模块和模拟量输入模块的数据，并通过开关量输出模块将指令传给电磁阀组，通过通讯接口将采煤机的参数传给显示计算机，通过通讯接口将指令传给主变频器。

　　（2）开关量输入输出模块

　　开关量输入模块主要接收端头站、遥控器和控制面板按钮发出的指令信号。开关量输出模块主要将控制器的指令传送给电磁阀组，以控制采煤机摇臂的升降、截割电动机的启停、制动抱闸的开断。

　　（3）模拟量输入模块

　　模拟量输入模块主要接收截割和破碎电动机的电流，牵引变压器、截割和破碎电动机的温度，摇臂的角度，瓦斯的浓度等模拟信号，然后送到控制计算机。

　　（4）显示计算机（采用贝加莱PP系列人机界面）

　　显示计算机提供丰富且人性化的人机界面，将以下数据信息形象地显示给用户。

　　· 采煤机控制计算机的输入、输出状态

　　· 截割电动机、牵引电动机的电流、温度

　　· 牵引变压器的温度

　　· 采煤机的牵引状态、牵引速度

　　· 采煤机的工作状态及故障信息

　　· 变频器的数据、工作状态及故障信息等

3 硬件系统设计

　　贝加莱的可编程计算机控制器（PCC）综合了传统PLC和工业PC两者的优势, 如前者的高可靠性、灵活的扩展性和环境适应能力，后者的多任务处理方式、高速运算能力、采用高级语言编程和开放的通讯等。PCC是目前工业领域最先进的控制技术之一，具有分时多任务处理机制、高速的运算能力、大容量内存和存储单元以及强大的通讯组网能力。

　　PCC之所以能成为当今增长速度最快的工业运动控制设备，是由于它具备了许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。PCC的主要特点如下：

　　（1）可靠性高、抗干扰能力强;

　　高可靠性是PCC最突出的特点之一，PCC的平均无故障时间（MTBF）可达几十万小时。由于工业生产过程经常昼夜连续，工业现场环境恶劣，各种电磁干扰特别严重。针对这些情况，PCC采取了一系列措施，其主要方法是对所有输入/输出（I/O）接口电路均采取光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PCC的影响。

　　（2）设计、安装容易，调试周期短，维护简单;

　　（3）模块品种丰富、通用性好、功能强大;

　　（4）体积小、能耗低;

　　（5）强大的Automation Studio软件开发平台

　　西安煤矿机械有限公司开发的MG650/1630-WD采煤机电气控制系统，根据实际的控制要求，选用了贝加莱的下列自动化产品来构成系统：

　　（1） 控制计算机（即2003系列PCC）

　　如图 2所示，控制计算机由7CP570.60-1和3IF722.9 组成。7CP570.60-1是2003系列的PCC，它的CPU是Celeron 300，64 MB DRAM，通讯接口有：USB、RS232、Ethernet。3IF722.9是通讯板卡，包含的通讯接口有：CAN、RS485、RS232。控制计算机通过RS485接口控制主变频器，通过Ethernet接口和采煤机上的显示计算机通讯，通过CAN接口和距离采煤机几百米外的显示计算机交换数据。

　　（2）开关量输入输出模块

　　如图 2所示，开关量输入输出模块选用了两块7DM465.7，每块7DM465.7有16路输入和16路输出。

　　（3）模拟量输入模块

　　如图 2所示，模拟量输入模块根据需要选用了一块7AT324.70，三块7AI354.70 ，这四个模块都插在适配器模块7AF101.7上。每块7AT324.70有四路温度输入，每块7AI354.70有四路模拟量输入。

　　（4）显示计算机（即贝加莱的Power Panel系列人机界面）

　　如图 2所示，由于需要在两个相距几百米的地方都要人机界面显示，故选用两个显示计算机 4PP320.1043-31和4PP420.1043-75，其中4PP420.1043-75还具有数据传输中继的功能。

4 软件设计

　　PCC采用Runtime定性分时多任务的操作系统，多任务处理就是计算机在同时启动几个程序时，还可以在后台有序的运行某些程序。一个完整的应用程序通常是由几个任务（程序块或子程序）共同组成的，并不是所有的任务都需在同一时间范围内执行，对于一些不需要经常执行的任务，可以区分任务的优先级，确保程序能迅速而高效的运行。

　　PCC编程软件Automation Studio是面向对象的编程语言，可采用IEC61131的编程语言，以及Basic和ANSI C高级语言。

　　Automation Studio中集成了不同的开发工具：

　　· 项目的硬件配置

　　· 项目的软件配置

　　· 图文显示

　　· 维护和诊断

　　· 库和功能函数

　　Automation Studio中提供了很多标准的功能函数，这些功能函数大大提高了编程人员的编程速度和效率。

　　根据控制系统的需求和贝加莱PCC的特点，软件设计选用ANSI C，利用PCC具有的多任务处理技术，将较复杂的控制逻辑分成八个任务来分别完成。

5 结论

　　前述采煤机在神华宁煤集团梅花井煤矿综采工作面得到了很好的应用，初步实现了采煤机远程监测和故障诊断功能及记忆截割功能。其电气控制系统稳定、可靠，基本发挥出了PCC的优势，在此基础上采煤机电气系统的革新还有很大的上升空间。