目前國外先進的采煤機主控制系統都是基于網絡總線結構的微機控制系統，牽引控制系統采用了一拖一變頻調速系統。這些系統實現了采煤機完善的動作控制，系統關鍵點的故障自診斷和實時保護，工況監(jiān)測和運行數據記錄、數據初步分析和遠程監(jiān)測等功能。部分系統還具有局部網絡化擴展和記憶切割功能。
這些先進的性能建立在以下三個方面的基礎之上：
² 遍布在采煤機各關鍵部位上數目眾多的各種類型傳感器能提供可靠準確的數據；
² 主控制器具有強大的數字運算功能，能在極短的時間里對采樣的數據進行快速高效的運算，并得出正確的結果；
² 主控制器和各種傳感器、動作執(zhí)行單元及變頻器之間有高速高可靠性的總線連接。
近年來，國內采煤機電氣控制系統也有較大的發(fā)展。許多高校、科研院所和采煤機制造廠在這方面作了很多工作。目前國內主要有兩類煤機控制系統，一類是基于PLC的控制系統，另一種是基于工控機的控制系統，但都是普通產品應用級的控制系統。
PLC技術比較成熟，開發(fā)環(huán)境簡單，但作為通用產品與采煤機上的專用傳感器和特殊的操作設備接口不便，實際應用中還需要引入許多接口轉換器和特殊的擴展模塊，使系統速度降低，不能滿足系統大量數據實時檢測處理，難以實現一些高級復雜的控制和故障診斷算法。
在工控機方面，國內主要采用一體化工控機外配基于485總線的各類輸入輸出模塊構建系統。這類系統在硬件上開發(fā)投入少，軟件開發(fā)環(huán)境簡單，但由于結構緊湊的工控機系統對外接口數目比較少且多為低速串口，與外圍模塊之間通信速度低使訪問控制效率較低，在實際使用中表現為操作反應比較遲鈍，保護的實時性比較差。
根據國內煤炭開采對采煤機先進可靠控制技術的迫切需求，我們在本公司九十年代開發(fā)的、以PLC為核心的采煤機控制系統的基礎上，開拓性的開發(fā)了新一代分布嵌入式控制系統。在總體設計方案中，新的控制系統繼承了老的控制系統中經過現場驗證的經典設計部分，并建立了一個技術先進，具有高度擴展能力，主體結構能滿足今后5-10年采煤技術發(fā)展的體系結構。
控制系統采用模塊化網絡分布式結構，根據控制對象的結構和功能特點將控制系統劃分為若干功能模塊，各模塊相對獨立，模塊之間以高可靠的現場總線相連。主控模塊設計成以DSP控制器為核心的功能單元，利用DSP控制器的超強數字運算功能，將大量傳感器的信息進行綜合處理，從而實現高實時性的智能控制。
主控制系統部分（見圖15）
圖15 采煤機控制系統結構圖
² 采用網絡分布式控制結構，具有高度靈活的可擴展性，主體結構可滿足今后5-10年采煤機技術發(fā)展需求；
² 采用在汽車、機器人等工業(yè)領域廣泛使用，被證明是成熟可靠的CAN控制總線；
² 首次在采煤機上采用高性能DSP控制器，利用DSP技術提高采煤機控制系統的基本性能，并為進一步發(fā)展煤巖界面自動識別、煤機自動操作技術和在線故障診斷，提供強大的硬件支持；
² 在系統設計中大量采用數字傳感器技術，利用數字傳感器技術提高采煤機控制系統功能和性能；
實現了主控制器與變頻器的總線連接，將變頻器故障與主控部分的故障統一顯示，方便了觀察與操作，并將變頻器難以記憶的故障代碼翻譯為中文標識，便
采用實時濃度顯示的瓦斯傳感器，并提供瓦斯?jié)舛瘸耷暗恼Z音與聲光預警以及超限斷電保護功能。
采用大屏幕的嵌入式平板機作為主顯示單元，主畫面的顯示內容豐富生動，通過多級菜單，可觀察到詳盡的參數趨勢圖，故障處理的圖文提示，主控計算機的各種狀態(tài)（見圖17、圖18、圖19）?？捎涗涢L達一年的采煤機的運行數據，并可通過存儲介質方便導出，以便分析使用。
圖17采煤機主顯系統操作的主界面
為了滿足現代采煤機監(jiān)控功能不斷增強的要求，采用基于現場總線的分布式控制結構，形成星型和總線型相結合的分布式控制網絡?？刂葡到y關鍵模塊間采用了高速CAN控制總線連接，具有如下特點：
①優(yōu)先級的消息結構；
②可以保證的傳輸延遲時間；
③靈活的配置特性；
④時間同步的多播特性；
⑤系統范圍的數據一致性；
⑥多主機結構；
⑦錯誤偵測與通知；
⑧當總線空閑時立即重傳出錯的消息；
⑨能夠區(qū)分臨時錯誤和節(jié)點的永久失效，并自動將失效節(jié)點關閉。
利用CAN總線自身優(yōu)勢，結合面向消息的透明控制信息傳送技術，可以使系統中各模塊以很小通信開銷，便能獲得充分實時的全系統消息共享。
這種拓撲結構可將通信連接故障限制在非常有限的范圍，可以避免因部分通信線損壞造成系統癱瘓，具有較強的抗干擾能力，可靠地用于井下電纜容易損壞場合。機上兩臺變頻器及左右端頭操作站可直接互換無需設置通信地址，方便了用戶備配件的采購和管理。
系統提供順槽通信接口，采用標準modbus協議，可與工作面及礦井綜合信息網相連，實現三機聯動。
在控制系統的硬件設計中，大量采用高集成度和高性能的DSP控制器作為各模塊和功能單元的核心。所選用的DSP控制器,采用高性能靜態(tài)CMOS技術，具有片上CAN總線模塊等。采用性能優(yōu)異的數字濾波與運算，大幅提高了系統性能。采用專用的動力監(jiān)測模塊，可實現五路大功率設備的三相負荷監(jiān)控，具有理想的反時限過載保護特性、相不平衡和短路保護，并實現了電機電流檢測傳感器通道的故障自檢測，可檢測電流傳感器失效、精度超限、零點飄移等故障。
DSP控制器的高速處理能力，可以直接對一些關鍵信號進行實時的在線頻譜、功率譜分析，這些處理和分析對發(fā)展機械系統故障的在線監(jiān)測和煤巖界面自動識別有重要意義。
在系統原理設計完成后，我們對原理電路邏輯進行了計算機仿真，重點對關鍵部分建模仿真，根據仿真結果對原設計進行修改和優(yōu)化。部分模塊內部時序仿真波形見圖20、圖21、圖22。
在軟件開發(fā)過程中，將系統軟件分為控制軟件和通訊軟件兩大部分進行開發(fā)與測試。在實驗室模擬系統實際工作狀態(tài)。
完成系統控制軟件的設計后，在模擬現場條件的情況下對系統軟硬件進行整體功能測試，效果良好。
圖20 主控制器部分操作仿真波形
電氣控制系統中，使用了許多DSP控制器為核心的印制電路板。其均為多層應制板，結構復雜，密度高，制作難度大。經過反復試驗，不斷完善，最終獲得合格的電路板。
系統的布置、接線和連線，從可靠性和抗干擾性著手，再結合結構緊湊合理，防震、防水、防潮，滿足散熱等要求，一處一處把關，使得集成系統的性能、可靠程度達到滿意的效果。
在對系統進行計算機仿真基礎上，系統軟件在調試過程中經過多次修改和優(yōu)化，并模擬現場條件進行測試，效果良好。
補充材料：
三種控制方式
對于整機的控制有三種人機交互方式：無線遙控器、端頭操作站、機身按鈕。
1）無線遙控器：操作人員可以隨身攜帶，通過無線方式實現采煤機的牽引停止、牽引方向、加/減速、主停、左搖臂升降（左搖控器）、右搖臂升降（右搖控器）的控制。井下控制距離
2）端頭操作站：置于采煤機兩端，通過有線方式,從采煤機的兩端實現采煤機的牽引停止、牽引方向、加/減速、主停、左搖臂升降(左端頭站)、右搖臂升降(右端頭站)的控制。端頭操作信號的流程：端頭操作信號通過端頭站的處理后，通過485總線送入中央控制模塊。
3）機身按鈕：置于電控箱面板上，可以實現機組的主啟、主停、牽電、牽啟、牽停、方向、加/減速、運閉、截割/調動方式、顯示等控制。按鈕信號的流程：除主啟和主停兩按鈕外，其余按鈕信號送入牽引控制/備用遠控切換盒。其中，牽啟、向左、向右、牽停四個按鈕通過繼電器切換，一方面送入數字量模塊，一方面控制相應的繼電器，完成備用遠控功能。牽電、加速、減速、方式、顯示按鈕則送入數字量模塊。以上按鈕信號經數字量模塊處理后送入中央控制模塊。
三種控制方式的指令通過不同路徑匯總到中央控制模塊后，統一由中央控制模塊進行處理，再送入牽引控制/備用遠控切換盒。驅動相應的繼電器后，接點信號經牽引電纜的控制芯線送入變頻調速箱。指令信號則由中央控制模塊輸出，送入牽引控制/備用遠控切換盒，經牽引電纜的控制芯線送入變頻調速箱。
MG300/666-BWD薄煤層采煤機電控系統方案說明
一 電氣控制系統方案說明
1． 電氣系統概述
MG300/666-BWD薄煤層采煤機總裝機功率為666kW，整個電氣系統分為順槽內電氣系統和采煤機上電氣系統，系統方案圖見附錄A。系統采用變頻器機外載、一拖二方式。順槽內電氣系統主要有3300V/380V牽引變壓器、變頻調速箱、采煤機順槽同步顯示箱。其中變頻調速箱采用我公司生產的ZBT-80/
采煤機機上電氣系統，包括七個電機、采煤機控制部件電控箱、端頭操作站、遙控發(fā)射機、瓦斯傳感器、語音預警揚聲器、以及各種傳感器等。七個電機分別是：四個截割電機，截割電機功率為150kW；兩個牽引電機，牽引電機功率為30kW；一個泵電機，功率為6kW。每個電機均安裝有電流互感器和溫度傳感器，可以為電機提供可靠的功率和過熱等保護。采煤機具有截割電機恒功率自動控制、重載反牽等保護功能；具有牽引電機恒功率自動控制、超載保護功能，泵電機過載保護功能。采煤機具有面板操作、端頭操作、遙控操作等多點操作功能，同時提供電控系統故障情況下的備用遠控功能。
2． 控制系統說明
采煤機控制系統采用模塊化的設計方案，根據功能將系統劃分為：中央控制單元、數字量模塊、模擬量模塊、語音預警模塊和機載通信模塊。各個模塊之間采用CAN Bus進行通信，實現指令傳遞和數據共享。所有模塊均采用高集成度和高性能的DSP控制器作為核心。采用DSP技術不但可以使采煤機控制系統具有性能優(yōu)異的控制和保護功能。從技術發(fā)展的角度來講，由于DSP控制器高速處理能力，可以直接對一些關鍵信號進行實時的在線頻譜、功率譜分析，這些處理和分析對發(fā)展機械系統故障的在線監(jiān)測和煤巖界面自動識別有重要意義。
下面簡要介紹一下個模塊的功能。
中央控制模塊:該模塊是采煤機的中央控制器，負責整個采煤機的電氣系統控制，通過CAN 總線與其他模塊交換信息；同時該模塊還有數個RS485通信端口，其中兩個端口用于與左、右端頭操作站交換信息、一個端口與顯示器傳輸數據、一個端口用于從參數存儲/更新器中讀取參數，還有一個端口與瓦斯傳感器交換信息，另備有RS485通信端口。由于采用非機載方式，用于給變頻器發(fā)送速度指令的模擬量輸出也由該模塊實現。
數字量模塊：該模塊用于接收來自于面板按鈕和遙控接收機的信號，并輸出開關量信號去驅動液壓電磁閥組，同時發(fā)給變頻器的開關量指令也是由該模塊輸出的。
模擬量模塊：該模塊用于采集七路電流互感器提供的各個電動機電流數據和七路電機溫度傳感器提供的電機溫度數據，只有模擬量采集功能，不具有模擬量輸出功能。
機載通信模塊：該模塊基本功能為順槽載波通信，通過CAN 總線采集采煤機的運行數據，通過載波通信將數據傳輸到順槽顯示箱，同步顯示采煤機的工作狀況。當機器發(fā)生故障時，可在順槽對采煤機的故障作出預判。同時，為實現薄煤層采煤機的順槽控制提供可能。
語音預警模塊：該模塊主要用于語音預警，接收機器當前主要操作狀態(tài)和故障信息，經處理后送語音預警器，實施報警。
除了以上說明的五大功能模塊外，還有無線遙控接收模塊、牽引備用切換模塊和電源模塊。牽引備用控切換模塊內部主要為用于直接控制牽引系統的繼電器組；電源模塊則提供整個控制系統的控制電源，包括非本安+12V和+24V電源，以及本安+5V電源。
3．順槽同步顯示箱：
為了能在相對安全的地方監(jiān)視采煤機的運行情況，提供一順槽同步顯示裝置。該顯示裝置可安裝在遠離采煤機的順槽組合開關旁邊，同步顯示采煤機的運行狀況和故障信息。同步顯示裝置的基本功能如下：
（1） 實現順槽與采煤機之間的雙向數據傳輸；
（2） 允許在順槽靜止的開關架上同步顯示采煤機的運行狀態(tài)信息，顯示方與煤機上主顯示器形式相同；
（3） 提供能與運輸機和支架控制系統通信的數據端口，形成工作面三機聯動的數據網關；
支持將采煤機的工作狀態(tài)數據實時送入礦井綜合信息網，并允許地面調度室對采煤機的工作狀態(tài)進行調節(jié)。
二 電控箱結構說明
電控箱的結構圖見附錄B。
附圖A
附圖B
全新設計的電氣控制系統繼承了老的控制系統中經過現場驗證的經典設計部分，并建立了一個技術先進，具有高度擴展能力，主體結構能滿足今后5-10年采煤技術發(fā)展的體系結構。
控制系統采用模塊化網絡分布式結構，根據控制對象的結構和功能特點將控制系統劃分為若干功能模塊，各模塊相對獨立，模塊之間以高可靠的CAN Bus現場總線相連。主要控制模塊的設計以DSP控制器或ARM控制器為核心，充分利用DSP控制器的超強數字運算功能，并結合ARM控制器豐富的外部接口，從而實現了高實時性的智能控制。
本采煤機電控系統具有常規(guī)的控制和保護功能，如截割電機恒功率控制、重載反牽控制、截割電機熱保護、牽引電機熱保護、變頻器漏電保護和過電流保護等，以及無線電遙控系統等。除此之外，還可以通過在CAN Bus總線上增加功能模塊的方式對控制系統進行功能上的擴展和完善，為今后更高層次的應用提供了良好的平臺。
