基于PCC控制的交流變頻電牽引采煤機

1 引言

　　采煤機是綜采工作面的主要設備，它的正常運轉決定著綜采工作面的生產效率。采煤機的性能是否可靠，一方面取決于機械部分的設計與制造，以及是否合理地使用，另一方面取決于電氣控制系統是否完善有效。如果將采煤機比作人，機械部分就是人的四肢和軀干，電氣部分就是人的大腦，所以，電氣控制系統在采煤機中至關重要。目前國產采煤機的電氣控制系統的控制器基本上都是各種品牌的PLC，雖然由PLC控制的采煤機具有監測和故障診斷功能，基本能滿足使用的要求。但由于采煤機工作環境惡劣，零部件多，結構復雜，致使采煤機司機不能及時掌控采煤機的各項運行參數，可能使采煤機帶病工作，進而出現故障，為了提高采煤機的開機率，必須增加采煤機遠程監測和故障診斷功能。還有，由于綜采工作面礦工勞動強度太大，急需降低，必須建立自動化綜采工作面，那么采煤機就必須具有記憶截割的功能。另外，由于采煤機電控箱空間的限制，如果采用現場總線，將在提高電氣控制系統可靠性地同時更有利于安裝和維修。要使采煤機具有遠程監測和故障診斷與記憶截割的功能，并且使用現場總線，如果電氣控制系統不作出革新，就很難滿足需求。為了適應發展，西安煤礦機械公司開發了以貝加萊工業自動化的PCC（Programmable Computer Controller）為控制器的新型電氣控制系統。

2 采煤機電氣控制系統設計

　　采煤機是多電動機聯動、技術要求較高的機械設備。它工作在潮濕、多塵、震動、高瓦斯的礦井，并且工況環境復雜多變，以及自身重量很大，慣性大，還要求能夠方便地操作、低故障率等，這就給采煤機電氣控制系統的設計提出了很高的要求。采煤機的電氣控制系統框圖如圖1所示。

　　（1）控制計算機（采用貝加萊的PCC）

　　控制計算機（由2003系列PCC的CPU模塊和通訊塊組成）是采煤機電氣控制系統的核心，采煤機正常工作時，變頻器的牽引方向、加減速控制、左右搖臂升降、制動抱閘的開斷、左右截割電動機的溫度監測、牽引變壓器溫度監測、牽引和截割電動機的電流采樣，以及采煤機恒功率保護、過零保護、瓦斯斷電保護、截割電動機過載保護等均通過控制計算機來實現。

　　控制計算機接收開關量輸入模塊和模擬量輸入模塊的數據，并通過開關量輸出模塊將指令傳給電磁閥組，通過通訊接口將采煤機的參數傳給顯示計算機，通過通訊接口將指令傳給主變頻器。

　　（2）開關量輸入輸出模塊

　　開關量輸入模塊主要接收端頭站、遙控器和控制面板按鈕發出的指令信號。開關量輸出模塊主要將控制器的指令傳送給電磁閥組，以控制采煤機搖臂的升降、截割電動機的啟停、制動抱閘的開斷。

　　（3）模擬量輸入模塊

　　模擬量輸入模塊主要接收截割和破碎電動機的電流，牽引變壓器、截割和破碎電動機的溫度，搖臂的角度，瓦斯的濃度等模擬信號，然后送到控制計算機。

　　（4）顯示計算機（采用貝加萊PP系列人機界面）

　　顯示計算機提供豐富且人性化的人機界面，將以下數據信息形象地顯示給用戶。

　　· 采煤機控制計算機的輸入、輸出狀態

　　· 截割電動機、牽引電動機的電流、溫度

　　· 牽引變壓器的溫度

　　· 采煤機的牽引狀態、牽引速度

　　· 采煤機的工作狀態及故障信息

　　· 變頻器的數據、工作狀態及故障信息等

3 硬件系統設計

　　貝加萊的可編程計算機控制器（PCC）綜合了傳統PLC和工業PC兩者的優勢, 如前者的高可靠性、靈活的擴展性和環境適應能力，后者的多任務處理方式、高速運算能力、采用高級語言編程和開放的通訊等。PCC是目前工業領域最先進的控制技術之一，具有分時多任務處理機制、高速的運算能力、大容量內存和存儲單元以及強大的通訊組網能力。

　　PCC之所以能成為當今增長速度最快的工業運動控制設備，是由于它具備了許多獨特的優點。它較好地解決了工業控制領域普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題。PCC的主要特點如下：

　　（1）可靠性高、抗干擾能力強;

　　高可靠性是PCC最突出的特點之一，PCC的平均無故障時間（MTBF）可達幾十萬小時。由于工業生產過程經常晝夜連續，工業現場環境惡劣，各種電磁干擾特別嚴重。針對這些情況，PCC采取了一系列措施，其主要方法是對所有輸入/輸出（I/O）接口電路均采取光電隔離，有效地抑制了外部干擾源對PCC的影響。

　　（2）設計、安裝容易，調試周期短，維護簡單;

　　（3）模塊品種豐富、通用性好、功能強大;

　　（4）體積小、能耗低;

　　（5）強大的Automation Studio軟件開發平臺

　　西安煤礦機械有限公司開發的MG650/1630-WD采煤機電氣控制系統，根據實際的控制要求，選用了貝加萊的下列自動化產品來構成系統：

　　（1） 控制計算機（即2003系列PCC）

　　如圖 2所示，控制計算機由7CP570.60-1和3IF722.9 組成。7CP570.60-1是2003系列的PCC，它的CPU是Celeron 300，64 MB DRAM，通訊接口有：USB、RS232、Ethernet。3IF722.9是通訊板卡，包含的通訊接口有：CAN、RS485、RS232。控制計算機通過RS485接口控制主變頻器，通過Ethernet接口和采煤機上的顯示計算機通訊，通過CAN接口和距離采煤機幾百米外的顯示計算機交換數據。

　　（2）開關量輸入輸出模塊

　　如圖 2所示，開關量輸入輸出模塊選用了兩塊7DM465.7，每塊7DM465.7有16路輸入和16路輸出。

　　（3）模擬量輸入模塊

　　如圖 2所示，模擬量輸入模塊根據需要選用了一塊7AT324.70，三塊7AI354.70 ，這四個模塊都插在適配器模塊7AF101.7上。每塊7AT324.70有四路溫度輸入，每塊7AI354.70有四路模擬量輸入。

　　（4）顯示計算機（即貝加萊的Power Panel系列人機界面）

　　如圖 2所示，由于需要在兩個相距幾百米的地方都要人機界面顯示，故選用兩個顯示計算機 4PP320.1043-31和4PP420.1043-75，其中4PP420.1043-75還具有數據傳輸中繼的功能。

4 軟件設計

　　PCC采用Runtime定性分時多任務的操作系統，多任務處理就是計算機在同時啟動幾個程序時，還可以在后臺有序的運行某些程序。一個完整的應用程序通常是由幾個任務（程序塊或子程序）共同組成的，并不是所有的任務都需在同一時間范圍內執行，對于一些不需要經常執行的任務，可以區分任務的優先級，確保程序能迅速而高效的運行。

　　PCC編程軟件Automation Studio是面向對象的編程語言，可采用IEC61131的編程語言，以及Basic和ANSI C高級語言。

　　Automation Studio中集成了不同的開發工具：

　　· 項目的硬件配置

　　· 項目的軟件配置

　　· 圖文顯示

　　· 維護和診斷

　　· 庫和功能函數

　　Automation Studio中提供了很多標準的功能函數，這些功能函數大大提高了編程人員的編程速度和效率。

　　根據控制系統的需求和貝加萊PCC的特點，軟件設計選用ANSI C，利用PCC具有的多任務處理技術，將較復雜的控制邏輯分成八個任務來分別完成。

5 結論

　　前述采煤機在神華寧煤集團梅花井煤礦綜采工作面得到了很好的應用，初步實現了采煤機遠程監測和故障診斷功能及記憶截割功能。其電氣控制系統穩定、可靠，基本發揮出了PCC的優勢，在此基礎上采煤機電氣系統的革新還有很大的上升空間。