基于现场总线的电气控制系统在采煤机中的应用

1 概述

   我国的综合机械化采煤，在过去的20多年都采用液压牵引采煤机，由于液压油污染后容易造成液压元件损坏，并且液压牵引采煤机速度低，在液压牵引的基础上很难制造大功率采煤机。从1990年后，国内煤矿对牵引速度快、总装机功率在500娜以上电牵引采煤机的需求量逐年加。针对这一情况，国内各采煤机制造厂在消化、吸收国外电牵引采煤机的基础上研究、制造交流变频电牵引采煤机，但是所有的交流变频电牵引采煤机的电气控制系统控制变频器的信号线、模拟量信号线比较多，在井下使用过程中，这些信号线容易松动，出现一些软故障，对煤矿井下的维修造成困难。本文介绍了一种基于现场总线技术电牵引采煤机电气控制系统，增加了系统的可靠性、可维护性。现场总线应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的开放型控制网络技术。现场总线是自动化领域的通信、网络技术，现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式）传送数字信号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设备，能节省大量线缆、槽架、连接件。减少系统设计、安装、维护的工作量，丰富了控制设备的信息内容，提供了如总运行时间、故障诊断等信息，便于实现管控一体化。

2 电牵引采煤机电气控制系统方案确定

   根据采煤机电气拖动系统的要求，现代的直流调速和交流变频调速都能满足要求，但是直流电牵引采煤机中的直流电机昂贵，维护费用高，所以本电牵引采煤机的牵引电机选用简单可靠的交流异步鼠笼电动机拖动采煤机牵引部。两个交流电动机通过两个牵引部共同驱动采煤机两个齿滚轮，按照采煤机的驱动要求，两台牵引电动机必须同步且负荷均匀，故选择了具有主从控制宏的ABBACS800变频器，利用主从控制功能保证了2台牵引电动机运行同步且负荷均匀。控制系统选用了可编程控制器取代传统的接触一继电控制，用触摸屏做显示，不但提高了系统的可靠性，而且加了智能化、故障自诊断功能，人机界面友好。

3 电牵引采煤机电气控制系统组成和工作原理

   为了适应煤矿井下工况，加电气控制系统的可靠性、可维护性，用可编程控制器（PLC）通过现场总线控制器（ADAM4520）与变频器通信，遵守MODBUS协议来控制2台牵引电动机，监视牵引电动机的运行状态。系统组成包括：2台ABB ACS800变频器；2台防爆交流异步电动机YQYBS-40 1台中文液晶触摸屏；2个有线指令器和一术…被视为公用数据网络在测控领域的延伸……个遥控器；*1台OMRONpLC……电气控制原理如电气控制原理所示。

　　3.1变频器变频器是电气控制系统的核心之一，型号为ACS800 -0070共2台。变频器带有主从应用宏，用X22.2端子调用用户宏1或用户宏2切换使变频器在主从之间工作，实现任意一台变频器可随时工作在单牵引方式。2台变频器在硬件、参数设置和外部控制线完全一样，通过PLC对其控制决定变频器是主变频器或从变频器。

　　3.2交流异步电动机交流异步电动机结构简单、结实、紧凑，维修工作量小，运行效率高，转动惯量小，动态响应快。因此，交流异步电动机适合应用于煤矿井下潮湿、腐蚀性气体多的恶劣环境，加了采煤机的开机率。

　　3.3中文液晶触摸屏中文液晶显示触摸屏主要显示电牵引采煤机运行过程中的牵引速度、牵引电流、牵引电压、变频器的温度、供电电压等采煤机参数。当采煤机由于故障原因停机时，中文显示器也实时显示故障原因和相应的故障排除方法。

　　3.4有线指令器和遥控器有线指令器和遥控器完成采煤机的加减速、停机、左右摇臂升降，有利于采煤机在牵引过程中本地和远控操作。

　　3.5可编程控制器域应用最广泛的控制设备可编程序控制器PLC；可靠性高、抗干扰能力强，可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。并且采用模块式硬件结构，组合和扩展都很方便，又用程序（软连接）代替硬连安装工作量少。在实际使用过程中，加或减少功能比传统的继电器电气控制方案更简单易行。

4 PLC和变频器之间的通信软件设计

   ACS800变频器总线控制器通信模块中，MODBUS通信是一种串行的主从通信协议。

　　在PLC控制变频器的总线控制系统中，PLC建立协议进行/查询“，变频器根据总线上的信息，提供数据响应”查询“，或根据”查询“作出相应的动作。PLC的”查询“格式包括：设备地址，功能代码，传输数据和错误校验等。

5 现场总线控制变频器进行调速的优点

   传统的PLC采用继电器输出点对点控制变频器进行加减速、改变牵引方向、故障复位、启动停止等，不能精确控制变频器的输出频率和采煤机速度，在特殊工况下，不能对采煤机速度进行有效控制。现场总线控制系统采用标准的工业现场总线协议和变频器之间交换数字化控制信息、运行信息等，其特点包括：具有较高的性能价格比。由于连接导线大幅度减少，使原来的几十根，甚至上百根控制电缆减少到一根总线电缆，从而也使接线端子、电缆等大幅度的减少。所以设计、安装、调试、维护的费用大幅度地减少，原来繁琐的电气原理图、布线图设计变得简单易行，便于携带；强大的故障诊断能力，使系统的调试和维护工作量大幅减少。

　　系统性能大幅度提高，使控制系统的智能化程度档次跨越了一个台阶，可靠的数据传输，快速的数据响应，强大的抗干扰能力。现场总线控制…中心设备采用工业控制领T m协议在信息检验、信息纠错、、复地址检测等方面软件程序流程都有严格的规定，从而确保现场总线通信快速、完全可靠的进行。

　　系统具有强大的自动诊断、故障显示功能。诊断包括变频器的所有故障、通信故障、控制电源故障，以及现场装置的温度传感器、电流传感器故障，从而迅速地发现系统中的各种故障位置和解决方法。

　　采用数字信号进行通信，有效提高了系统的测量和控制精度。

　　变频器的故障，运行参数（如变频器输出电压、电流、温度、转矩、速度等）采用中文显示方式，解决了煤矿井下工人难以理解的英文显示信息和代码显示。

　　根据使用中出现的问题，很容易转换成单牵引方式。

6 应用效果

   现场总线控制的电牵引采煤机运行情况00/700-WD电牵引采煤机上使用以来，加了整个变频调速系统的可靠性、可维护性，具有柔性修改和扩展功能，根据各种煤矿井下工况的特殊地质条件，可以选择不同的控制策略，提高了电牵引采煤机信息化、智能化程度。现场总线控制技术，由于其巨大的技术优势和发展前景，被认为是工业控制发展的必然趋势，将逐步取代传统的PLC点对点继电器接线控制变频器的方法。