采煤机电磁调速控制系统设计.pdf

自动化系统设计DevelopmentNo.7,2023ManagementandMechanical2023年第7 期Total243总第2 43期机械管理开发D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.095采煤机电磁调速控制系统设计白建云（华阳一矿调度室，山西阳泉045000)摘要：基于现有采煤机电磁调速控制系统功能相对单一、布设电缆线路繁琐、扩展性较差等问题，设计出一种采用STM32F10RCT6型号微控制器的嵌入式采煤机电磁调速控制系统。该系统通过CAN总线连接，控制模块更为简洁灵活、抗振动干扰能力更强，保障了中央处理器高效运行性能，同时降低了线路传输信号容量。关键词：采煤机；电磁调速；嵌入式；电气系统中图分类号：TD632.1文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3X(2023)07-0234-030引言由于采煤机整机价格昂贵，因此通过嵌人式控制单元对电磁调速系统对采煤机设备进行优化升级，既节省了设备采购费用，同时也利用新型控制技术对电控系统进行改进设计，不仅提高了原有控制系统运行性能，也加强了控制系统在井下恶劣环境中的适应性，大幅提高了煤炭资源开采效率。1电磁调速电机作用机理电磁调速电动机包括三相异步电机、电枢、磁枢、励磁绕组以及负载等主体结构，如图1所示，运行过程中通过所连接的负载轴，承受通过中部磁场传输的电动机轴转矩。其中电枢由钢制圆筒构成，安装于三相异步电动机输出轴端，在电动机的带动下保持同速转动。磁极同样安装与三相异步电动机输出轴端，由铁芯以及励磁绕组两部分构成且与负载相连接。磁极绕组因在磁极内腔且固定在电磁转差离合器端盖上，因此该部分基本保持静止，同理电枢结构随电机轴旋转为主动部分，磁极结构位于负载端为从动部分。261一三相异步电动机;2 一电枢;3一磁枢;4一励磁绕组；5一负载；6 一辅助气隙图1电磁调速电机主体结构电磁调速电机运行机理为：直流电通过电磁绕组部形成交替磁场，同时电动机带动电枢部同速转动过程中，电枢在交替磁场中运动形成涡流，涡流和磁通作用下就形成转矩导致磁极按照固定方向转动，同时磁极速度相对电枢较低。此时通过调节电流大小可以实现对离合器转矩大小和速度的调节，因此电磁调速具备调节过程稳定、范围较广以及负反馈等特点，相较其他调速结构运行功率小同时调节转矩更大。2嵌入式调速系统结构该嵌人式电磁调速控制系统将下属各独立模块通过串联通信方式相联系起来，实现了弱信号的远距离传输，该串联通信的特点在于对传输信号进行就近接收、集中发送，因此布设线路相对简单。同时将各模块信息独立计算，只将结果传输至主控模块，不仅降低了主控模块负担，也降低了传输通信容量。该嵌入式控制系统采用ARM控制器，特点在于外围接口较多，运行速率较高，可与各模块高性能单片机匹配，提升整体调速系统运行性能。整体调速系统组成包括主控CPU、数据输出模块、采集模块、通信模块以及采煤机端头操作站等，组成结构如图2 所示 1采煤机光电数字量输人端头操作站隔离/输出模块中央处理器STMB2F103RCT6CAN通信模块光电模拟量采隔离集模块图2电磁调速系统整体结构组成3电磁调速控制系统设计3.1中央处理器主控CPU主要负责整体采煤机电控系统控制，因此在整个调速系统中结构最为复杂，同时具备功能也最为强大。该中央处理器ARM芯片核心控制器选用STM32F103RCT型号，运算速度可达7 2 MHz，具备48kB的RAM以及2 5 6 kB的FLASH。该控制器拥有5个USART以及1个16 位的ADC通道，同时可扩展2 个DAC通道，运算性能较好同时具备较快的执行效率,外围接口较多,适用于井下复杂恶劣电磁环境。同时主板总线与各模块之间采用CAN总线相连，通过嵌人采煤机机身在终端直接接收采煤机运行参数数据进行分析处理，与采煤机端头操作站相连通信接口为本安型RS485接口，具体控制结构如图3收稿日期：2 0 2 2-10-0 8作者简介：白建云（19 8 4一），男，山西阳泉人，本科，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，采矿助理工程师，研究方向为采煤技术。235.白建云：采煤机电磁调速控制系统设计2023年第7 期所示 2 。中央处理器主控CPU将通过光电隔离栅接收处理数据信号，避免受到综采工作面恶劣环境的影响，一部分数据信号直接与主控CPU进行传输交换，另一部分传感器接收信号则通过两种接口线路，包括RS485、CA N总线接口，分别与采煤机终端端头操作站以及CAN通信模块进行数据接收传输。采煤机RS485模拟量采端头操作站光电隔离栅集模块光电隔离栅采煤机主控CPU端头操作站RS485STMB2F1031RCT6数字量输人/输出模块CAN通信板CAN接口图3中央处理器主控制模块组成3.2硬件模块1)开关量输出、输入模块。该模板的主要作用是通过接收面板控制按钮及遥控信号，对各电机进行启停控制，在各接口端采用隔离栅进行光电隔离，防止受到井下外界水电干扰，确保传输信号精确性，控制芯片采用Philips公司旗下XA-C3芯片。该模块特点在于对人工手动操作信号进行接收处理，将控制面板或遥控信号进行及时传输控制，因此输入信号包括开关输入量以及CAN通信总线输人量两部分，经光电隔离栅处理后传输信号将由XA-C3芯片进行处理，同时再经过光电隔离栅对信号进行处理，将输出信号传输至继电器或CAN通信总线下达执行指令。2)数据采集模块。采集模块的输入模拟量包括采煤机截割部截割电机电流、CPU模数转换、采煤机牵引部牵引电机电流、牵引速度等参数，这些采煤机设备运行参数可通过接收对应各类传感器传输数据获得，同时通过模块处理后将参数运算结果传输至主控器模块，传输线路为CAN总线，并由主控器模块完成相应下达执行指令等功能。采集模块传输电路采用ADS774，具备功耗低、采样速度快等特点，采集信号通过信号调理器、多采样通道，同样经光电隔离栅处理，经模块传输电路传输至单片机处理系统，经初步分析处理后将容量较小数据经CAN通信总线向主控制器模块进行传输 3。3)通信模块。因采煤机电磁调速控制系统不仅要实现对采煤机机组运行参数进行监测控制，还要对采煤机进行并网控制，同时由于CAN总线支持分布式控制系统及实时控制系统，因此采用CAN作用主要通信模块。CAN通信速率可达1Mbit/s，同时具有较高的错误检测能力，对井下复杂工作环境以及振动大、电磁辐射强的工作环境适应性较强。通信模块硬件通信流程为：通信接口、MCU80C51、S JA 10 0 0 控制器、8 2 C250收发器、CAN接线，通过上述设备线路通信流程实现电磁调速系统通信控制。3.3终端端头操作站采煤机端头操作站通过按键形式实现对采煤机牵引方向、加速减速控制，同时也可实现对截割部摇臂起降控制。通过人工操控按键响应后端头操作信号经端头站进行初步处理，并由RS485线路传输至主控制模块，因此采煤机端头操作站可实现人工按键操作控制，同时也可实现主控制器的就地控制。该采煤机端头操作站布设在采煤机设备左右两端，可通过手动控制的方式操作按键按钮实现采煤机牵引控制效果，进行综采工作面煤炭资源截割开采作业；同时操作站可通过RS485线路将操作信号传输至主控制模块，经机身处主控CPU分析处理数据信号后，再下达执行指令，实现采煤机牵引过程的自动控制效果。4电磁调速控制系统仿真测试为测试嵌人式采煤机电磁调速控制系统的运行性能，利用Simulink软件建立仿真模型，进行仿真测试。如图4所示为采煤机电磁调速控制系统的阶跃响应图。由图4可以看出，该嵌入式控制系统的响应速度更快，仅需0.2 s即可达到平稳运行阶段，采煤机设备的持续运行过程也更为平稳可靠。160140SystemsysTime(sec):0.213Amplbude:1501201008060402000.00.10.20.30.40.50.6时间s图4嵌入式电磁调速控制系统阶跃响应现阶段电牵引采煤机以S7-200核心控制系统为例，电磁调速牵引控制系统配套有可视化显示控制平台，但体积大功能单一，扩展性较差，同时布设线路繁琐，通信接口需进行各种转换，因此系统运行效率较低。通过安装嵌入式STM32F103RCT6控制器，可实现7 2 MHz高频操作，同时通信功能更为强大，外部接口较多，系统整体运行效率也更高。该嵌人式电磁调速控制下的采煤机相比传统采煤机牵引方式具备更高装机功率，牵引速度更快、牵引力更大。5绍结语通过分析电磁调速系统整体结构，分别从中央处理器、各数据处理模块以及采煤机端头操作站对电磁上接第2 33页DE上接笃221百上接第2.2 9 页（编辑：王慧芳）?236第3 8 卷机械管理开发调速系统整体进行嵌人式设计。采用嵌人式处理后的采煤机电磁调速系统，整体控制系统更为灵活，将各模块采集数据由采煤机机身处的中央处理器就近快速处理，保障了中央处理器高效运行性能，同时降低了线路传输信号容量，实现了对采煤机运行状态的快速感知反应，保障了调速控制系统的稳定可靠运行。参考文献1姜浩，杜长龙，江红祥，等.薄煤层电牵引采煤机牵引部的设计研究 J.煤矿机械，2 0 10（5）：1-3.2顾浩，秦伟祥.嵌人式技术在采煤机监控系统中的应用 J.煤矿机电,2 0 11(1):7 9-8 1.3赵欣，刘建功，李鹏飞.薄煤层嵌入式电磁调速采煤机电控系统的设计.煤炭与化工，2 0 13（10）：48-5 0.Design of Electromagnetic Speed Control System for Coal Mining MachineBai Jianyun(Scheduling Office,Huayang I Mine,Yangquan Shanxi 045000,China)Abstract:Based on the relatively single function of the existing coal mining machine electromagnetic speed control system,thecumbersome deployment of cable lines and poor scalability,an embedded coal mining machine electromagnetic speed control system isdesigned using an STM32F1ORCT6 microcontroller,which is connected via CAN bus.At the same time,the line transmission signalcapacity is reduced.Key words:coal mining machine;electromagnetic speed control;embedded;electrical systemDesign and Application of Remote Monitoring System for Cantilevered RoadheaderLiu Xiaolong(Fenxi Mining Group Materials Supply and Sales Branch,Jiexiu Shanxi 032000,China)Abstract:In view of the problems of low reliability,remote monitoring and control accuracy of the current mine roadheader,the overallstructure of the roadheader remote monitoring system was designed based on the characteristics of the cantilever roadheader and thedemand for remote monitoring,and the hardware str