基于PCC控制的交流變頻電牽引采煤機(jī)
1 引言
采煤機(jī)是綜采工作面的主要設(shè)備，它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)決定著綜采工作面的生產(chǎn)效率。采煤機(jī)的性能是否可靠，一方面取決于機(jī)械部分的設(shè)計(jì)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(tǒng)是否完善有效。如果將采煤機(jī)比作人，機(jī)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(tǒng)在采煤機(jī)中至關(guān)重要。目前國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)的電氣控制系統(tǒng)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(jī)具有監(jiān)測(cè)和故障診斷功能，基本能滿足使用的要求。但由于采煤機(jī)工作環(huán)境惡劣，零部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，致使采煤機(jī)司機(jī)不能及時(shí)掌控采煤機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，可能使采煤機(jī)帶病工作，進(jìn)而出現(xiàn)故障，為了提高采煤機(jī)的開機(jī)率，必須增加采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和故障診斷功能。還有，由于綜采工作面礦工勞動(dòng)強(qiáng)度太大，急需降低，必須建立自動(dòng)化綜采工作面，那么采煤機(jī)就必須具有記憶截割的功能。另外，由于采煤機(jī)電控箱空間的限制，如果采用現(xiàn)場(chǎng)總線，將在提高電氣控制系統(tǒng)可靠性地同時(shí)更有利于安裝和維修。要使采煤機(jī)具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和故障診斷與記憶截割的功能，并且使用現(xiàn)場(chǎng)總線，如果電氣控制系統(tǒng)不作出革新，就很難滿足需求。為了適應(yīng)發(fā)展，西安煤礦機(jī)械公司開發(fā)了以貝加萊工業(yè)自動(dòng)化的PCC（Programmable Computer Controller）為控制器的新型電氣控制系統(tǒng)。
2 采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
采煤機(jī)是多電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)、技術(shù)要求較高的機(jī)械設(shè)備。它工作在潮濕、多塵、震動(dòng)、高瓦斯的礦井，并且工況環(huán)境復(fù)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(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。采煤機(jī)的電氣控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。
（1）控制計(jì)算機(jī)（采用貝加萊的PCC）
控制計(jì)算機(jī)（由2003系列PCC的CPU模塊和通訊塊組成）是采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)的核心，采煤機(jī)正常工作時(shí)，變頻器的牽引方向、加減速控制、左右搖臂升降、制動(dòng)抱閘的開斷、左右截割電動(dòng)機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)、牽引變壓器溫度監(jiān)測(cè)、牽引和截割電動(dòng)機(jī)的電流采樣，以及采煤機(jī)恒功率保護(hù)、過(guò)零保護(hù)、瓦斯斷電保護(hù)、截割電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)等均通過(guò)控制計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
控制計(jì)算機(jī)接收開關(guān)量輸入模塊和模擬量輸入模塊的數(shù)據(jù)，并通過(guò)開關(guān)量輸出模塊將指令傳給電磁閥組，通過(guò)通訊接口將采煤機(jī)的參數(shù)傳給顯示計(jì)算機(jī)，通過(guò)通訊接口將指令傳給主變頻器。
（2）開關(guān)量輸入輸出模塊
開關(guān)量輸入模塊主要接收端頭站、遙控器和控制面板按鈕發(fā)出的指令信號(hào)。開關(guān)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(jī)搖臂的升降、截割電動(dòng)機(jī)的啟停、制動(dòng)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(dòng)機(jī)的電流，牽引變壓器、截割和破碎電動(dòng)機(jī)的溫度，搖臂的角度，瓦斯的濃度等模擬信號(hào)，然后送到控制計(jì)算機(jī)。
（4）顯示計(jì)算機(jī)（采用貝加萊PP系列人機(jī)界面）
顯示計(jì)算機(jī)提供豐富且人性化的人機(jī)界面，將以下數(shù)據(jù)信息形象地顯示給用戶。
l 采煤機(jī)控制計(jì)算機(jī)的輸入、輸出狀態(tài)
l 截割電動(dòng)機(jī)、牽引電動(dòng)機(jī)的電流、溫度
l 牽引變壓器的溫度
l 采煤機(jī)的牽引狀態(tài)、牽引速度
l 采煤機(jī)的工作狀態(tài)及故障信息
變頻器的數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)及故障信息等
3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
貝加萊的可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）綜合了傳統(tǒng)PLC和工業(yè)PC兩者的優(yōu)勢(shì), 如前者的高可靠性、靈活的擴(kuò)展性和環(huán)境適應(yīng)能力，后者的多任務(wù)處理方式、高速運(yùn)算能力、采用高級(jí)語(yǔ)言編程和開放的通訊等。PCC是目前工業(yè)領(lǐng)域最先進(jìn)的控制技術(shù)之一，具有分時(shí)多任務(wù)處理機(jī)制、高速的運(yùn)算能力、大容量?jī)?nèi)存和存儲(chǔ)單元以及強(qiáng)大的通訊組網(wǎng)能力。
PCC之所以能成為當(dāng)今增長(zhǎng)速度最快的工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備，是由于它具備了許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它較好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。PCC的主要特點(diǎn)如下：
（1）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；
高可靠性是PCC最突出的特點(diǎn)之一，PCC的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）可達(dá)幾十萬(wàn)小時(shí)。由于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程經(jīng)常晝夜連續(xù)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，各種電磁干擾特別嚴(yán)重。針對(duì)這些情況，PCC采取了一系列措施，其主要方法是對(duì)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(duì)PCC的影響。
（2）設(shè)計(jì)、安裝容易，調(diào)試周期短，維護(hù)簡(jiǎn)單；
（3）模塊品種豐富、通用性好、功能強(qiáng)大；
（4）體積小、能耗低；
（5）強(qiáng)大的Automation Studio軟件開發(fā)平臺(tái)
西安煤礦機(jī)械有限公司開發(fā)的MG650/1630-WD采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際的控制要求，選用了貝加萊的下列自動(dòng)化產(chǎn)品來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)：
（1） 控制計(jì)算機(jī)（即2003系列PCC）
如圖 2所示，控制計(jì)算機(jī)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?？刂朴?jì)算機(jī)通過(guò)RS485接口控制主變頻器，通過(guò)Ethernet接口和采煤機(jī)上的顯示計(jì)算機(jī)通訊，通過(guò)CAN接口和距離采煤機(jī)幾百米外的顯示計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)。
（2）開關(guān)量輸入輸出模塊
如圖 2所示，開關(guān)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(jù)需要選用了一塊7AT324.70，三塊7AI354.70 ，這四個(gè)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(jì)算機(jī)（即貝加萊的Power Panel系列人機(jī)界面）
如圖 2所示，由于需要在兩個(gè)相距幾百米的地方都要人機(jī)界面顯示，故選用兩個(gè)顯示計(jì)算機(jī) 4PP320.1043-31和4PP420.1043-75，其中4PP420.1043-75還具有數(shù)據(jù)傳輸中繼的功能。
4 軟件設(shè)計(jì)
PCC采用Runtime定性分時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，多任務(wù)處理就是計(jì)算機(jī)在同時(shí)啟動(dòng)幾個(gè)程序時(shí)，還可以在后臺(tái)有序的運(yùn)行某些程序。一個(gè)完整的應(yīng)用程序通常是由幾個(gè)任務(wù)（程序塊或子程序）共同組成的，并不是所有的任務(wù)都需在同一時(shí)間范圍內(nèi)執(zhí)行，對(duì)于一些不需要經(jīng)常執(zhí)行的任務(wù)，可以區(qū)分任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，確保程序能迅速而高效的運(yùn)行。
PCC編程軟件Automation Studio是面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，可采用IEC61131的編程語(yǔ)言，以及Basic和ANSI C高級(jí)語(yǔ)言。
Automation Studio中集成了不同的開發(fā)工具：
l 項(xiàng)目的硬件配置
l 項(xiàng)目的軟件配置
l 圖文顯示
l 維護(hù)和診斷
l 庫(kù)和功能函數(shù)
Automation Studio中提供了很多標(biāo)準(zhǔn)的功能函數(shù)，這些功能函數(shù)大大提高了編程人員的編程速度和效率。
根據(jù)控制系統(tǒng)的需求和貝加萊PCC的特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)選用ANSI C，利用PCC具有的多任務(wù)處理技術(shù)，將較復(fù)雜的控制邏輯分成八個(gè)任務(wù)來(lái)分別完成。其中幾個(gè)任務(wù)流程框圖如圖 3 ~圖 6所示。5 結(jié)論
前述采煤機(jī)在神華寧煤集團(tuán)梅花井煤礦綜采工作面得到了很好的應(yīng)用，初步實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和故障診斷功能及記憶截割功能。其電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，基本發(fā)揮出了PCC的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上采煤機(jī)電氣系統(tǒng)的革新還有很大的上升空間。
參考文獻(xiàn)：
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[2] 齊 蓉．可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006．
作者簡(jiǎn)介：
薛建勇 男，出生于1974年，碩士，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)方面的研究。
貝加萊（B&R）工業(yè)自動(dòng)化是一家全球性自動(dòng)化領(lǐng)導(dǎo)廠商，專業(yè)致力于創(chuàng)新自動(dòng)化前沿技術(shù)，總部位于奧地利，目前已在全球60個(gè)國(guó)家設(shè)立了分支機(jī)構(gòu)，擁有155個(gè)辦事處?！巴昝雷詣?dòng)化”與“您的全球自動(dòng)化合作伙伴”是貝加萊工業(yè)自動(dòng)化的使命與追求。
1996年8月，貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司正式落戶中國(guó)上海，本地化的銷售與精湛的技術(shù)隊(duì)伍為中國(guó)客戶帶來(lái)更迅捷的服務(wù)響應(yīng)。十幾年來(lái)，貝加萊（中國(guó)）一直專注于為國(guó)內(nèi)用戶提供高品質(zhì)的自動(dòng)化全線產(chǎn)品和優(yōu)秀的技術(shù)解決方案?，F(xiàn)在，貝加萊的產(chǎn)品和方案已廣泛應(yīng)用于機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域，如包裝、印刷、塑料、紡織、食品飲料、機(jī)床、半導(dǎo)體、制藥等行業(yè)；以及過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，如電力、冶金、市政、交通、石油、化工和水泥等行業(yè)。目前，貝加萊產(chǎn)品已通過(guò)ISO 9001、UL、TÜV、GOST-R等國(guó)際認(rèn)證，產(chǎn)品質(zhì)量、性能等受到了用戶的普遍贊譽(yù)，贏得了信譽(yù)。如今，貝加萊（中國(guó)）已成立了北京、廣州、濟(jì)南、西安、成都和沈陽(yáng)辦事處，上海及各辦事處建立了完備的技術(shù)培訓(xùn)中心，以及分布在全國(guó)的大學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。
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