基于現(xiàn)場總線的電氣控制系統(tǒng)在采煤機中的應(yīng)用

1 概述

我國的綜合機械化采煤，在過去的20多年都采用液壓牽引采煤機，由于液壓油污染后容易造成液壓元件損壞，并且液壓牽引采煤機速度低，在液壓牽引的基礎(chǔ)上很難制造大功率采煤機。從1990年后，國內(nèi)煤礦對牽引速度快、總裝機功率在500娜以上電牽引采煤機的需求量逐年加。針對這一情況，國內(nèi)各采煤機制造廠在消化、吸收國外電牽引采煤機的基礎(chǔ)上研究、制造交流變頻電牽引采煤機，但是所有的交流變頻電牽引采煤機的電氣控制系統(tǒng)控制變頻器的信號線、模擬量信號線比較多，在井下使用過程中，這些信號線容易松動，出現(xiàn)一些軟故障，對煤礦井下的維修造成困難。本文介紹了一種基于現(xiàn)場總線技術(shù)電牽引采煤機電氣控制系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的可靠性、可維護性。現(xiàn)場總線應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的開放型控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。現(xiàn)場總線是自動化領(lǐng)域的通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，現(xiàn)場總線可采用多種介質(zhì)（多種有線和無線方式）傳送數(shù)字信號。在兩根導(dǎo)線上可掛接多至幾十個自控設(shè)備，能節(jié)省大量線纜、槽架、連接件。減少系統(tǒng)設(shè)計、安裝、維護的工作量，豐富了控制設(shè)備的信息內(nèi)容，提供了如總運行時間、故障診斷等信息，便于實現(xiàn)管控一體化。

2 電牽引采煤機電氣控制系統(tǒng)方案確定

根據(jù)采煤機電氣拖動系統(tǒng)的要求，現(xiàn)代的直流調(diào)速和交流變頻調(diào)速都能滿足要求，但是直流電牽引采煤機中的直流電機昂貴，維護費用高，所以本電牽引采煤機的牽引電機選用簡單可靠的交流異步鼠籠電動機拖動采煤機牽引部。兩個交流電動機通過兩個牽引部共同驅(qū)動采煤機兩個齒滾輪，按照采煤機的驅(qū)動要求，兩臺牽引電動機必須同步且負荷均勻，故選擇了具有主從控制宏的ABBACS800變頻器，利用主從控制功能保證了2臺牽引電動機運行同步且負荷均勻?？刂葡到y(tǒng)選用了可編程控制器取代傳統(tǒng)的接觸一繼電控制，用觸摸屏做顯示，不但提高了系統(tǒng)的可靠性，而且加了智能化、故障自診斷功能，人機界面友好。

3 電牽引采煤機電氣控制系統(tǒng)組成和工作原理

為了適應(yīng)煤礦井下工況，加電氣控制系統(tǒng)的可靠性、可維護性，用可編程控制器（PLC）通過現(xiàn)場總線控制器（ADAM4520）與變頻器通信，遵守MODBUS協(xié)議來控制2臺牽引電動機，監(jiān)視牽引電動機的運行狀態(tài)。系統(tǒng)組成包括：2臺ABB ACS800變頻器；2臺防爆交流異步電動機YQYBS-40 1臺中文液晶觸摸屏；2個有線指令器和一術(shù)…被視為公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在測控領(lǐng)域的延伸……個遙控器；*1臺OMRONpLC……電氣控制原理如電氣控制原理所示。

　　3.1變頻器變頻器是電氣控制系統(tǒng)的核心之一，型號為ACS800 -0070共2臺。變頻器帶有主從應(yīng)用宏，用X22.2端子調(diào)用用戶宏1或用戶宏2切換使變頻器在主從之間工作，實現(xiàn)任意一臺變頻器可隨時工作在單牽引方式。2臺變頻器在硬件、參數(shù)設(shè)置和外部控制線完全一樣，通過PLC對其控制決定變頻器是主變頻器或從變頻器。

　　3.2交流異步電動機交流異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)實、緊湊，維修工作量小，運行效率高，轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應(yīng)快。因此，交流異步電動機適合應(yīng)用于煤礦井下潮濕、腐蝕性氣體多的惡劣環(huán)境，加了采煤機的開機率。

　　3.3中文液晶觸摸屏中文液晶顯示觸摸屏主要顯示電牽引采煤機運行過程中的牽引速度、牽引電流、牽引電壓、變頻器的溫度、供電電壓等采煤機參數(shù)。當采煤機由于故障原因停機時，中文顯示器也實時顯示故障原因和相應(yīng)的故障排除方法。

　　3.4有線指令器和遙控器有線指令器和遙控器完成采煤機的加減速、停機、左右搖臂升降，有利于采煤機在牽引過程中本地和遠控操作。

　　3.5可編程控制器域應(yīng)用最廣泛的控制設(shè)備可編程序控制器PLC；可靠性高、抗干擾能力強，可以直接安裝于工業(yè)現(xiàn)場而穩(wěn)定可靠地工作。并且采用模塊式硬件結(jié)構(gòu)，組合和擴展都很方便，又用程序（軟連接）代替硬連安裝工作量少。在實際使用過程中，加或減少功能比傳統(tǒng)的繼電器電氣控制方案更簡單易行。

4 PLC和變頻器之間的通信軟件設(shè)計

ACS800變頻器總線控制器通信模塊中，MODBUS通信是一種串行的主從通信協(xié)議。

　　在PLC控制變頻器的總線控制系統(tǒng)中，PLC建立協(xié)議進行/查詢“，變頻器根據(jù)總線上的信息，提供數(shù)據(jù)響應(yīng)”查詢“，或根據(jù)”查詢“作出相應(yīng)的動作。PLC的”查詢“格式包括：設(shè)備地址，功能代碼，傳輸數(shù)據(jù)和錯誤校驗等。

5 現(xiàn)場總線控制變頻器進行調(diào)速的優(yōu)點

傳統(tǒng)的PLC采用繼電器輸出點對點控制變頻器進行加減速、改變牽引方向、故障復(fù)位、啟動停止等，不能精確控制變頻器的輸出頻率和采煤機速度，在特殊工況下，不能對采煤機速度進行有效控制。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用標準的工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議和變頻器之間交換數(shù)字化控制信息、運行信息等，其特點包括：具有較高的性能價格比。由于連接導(dǎo)線大幅度減少，使原來的幾十根，甚至上百根控制電纜減少到一根總線電纜，從而也使接線端子、電纜等大幅度的減少。所以設(shè)計、安裝、調(diào)試、維護的費用大幅度地減少，原來繁瑣的電氣原理圖、布線圖設(shè)計變得簡單易行，便于攜帶；強大的故障診斷能力，使系統(tǒng)的調(diào)試和維護工作量大幅減少。

　　系統(tǒng)性能大幅度提高，使控制系統(tǒng)的智能化程度檔次跨越了一個臺階，可靠的數(shù)據(jù)傳輸，快速的數(shù)據(jù)響應(yīng)，強大的抗干擾能力。現(xiàn)場總線控制…中心設(shè)備采用工業(yè)控制領(lǐng)T m協(xié)議在信息檢驗、信息糾錯、、復(fù)地址檢測等方面軟件程序流程都有嚴格的規(guī)定，從而確保現(xiàn)場總線通信快速、完全可靠的進行。

　　系統(tǒng)具有強大的自動診斷、故障顯示功能。診斷包括變頻器的所有故障、通信故障、控制電源故障，以及現(xiàn)場裝置的溫度傳感器、電流傳感器故障，從而迅速地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的各種故障位置和解決方法。

　　采用數(shù)字信號進行通信，有效提高了系統(tǒng)的測量和控制精度。

　　變頻器的故障，運行參數(shù)（如變頻器輸出電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)矩、速度等）采用中文顯示方式，解決了煤礦井下工人難以理解的英文顯示信息和代碼顯示。

　　根據(jù)使用中出現(xiàn)的問題，很容易轉(zhuǎn)換成單牽引方式。

6 應(yīng)用效果

現(xiàn)場總線控制的電牽引采煤機運行情況00/700-WD電牽引采煤機上使用以來，加了整個變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性、可維護性，具有柔性修改和擴展功能，根據(jù)各種煤礦井下工況的特殊地質(zhì)條件，可以選擇不同的控制策略，提高了電牽引采煤機信息化、智能化程度。現(xiàn)場總線控制技術(shù)，由于其巨大的技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)展前景，被認為是工業(yè)控制發(fā)展的必然趨勢，將逐步取代傳統(tǒng)的PLC點對點繼電器接線控制變頻器的方法。