极薄煤层电牵引采煤机电气控制系统的研究与实现

论文摘要

煤炭是我国的基础能源,在我国煤炭资源分布中,薄煤层(煤层厚度小于1.2米)资源丰富且分布广泛,约占总可采储量的20%。但是由于地质条件复杂,开采环境恶劣,一直没能广泛推广综合机械化采煤技术,导致开采效率低下,安全隐患严重。采煤机作为综合机械化采煤技术的核心设备之一,研究推广针对于薄煤层这种特殊开采环境的采煤机,有助于提高薄煤层开采效率,减少井下危险区工人数量,有效降低安全事故的发生。本文研究的课题来自于2006年国家科技支撑计划“煤炭资源高效采掘关键技术与装备研发”项目中的“薄煤层高效开采机电一体化关键技术”(项目编号:2006BAB16B03)。为了应对极薄煤层下限开采高度为0.8m的项目要求,采煤机机身高度仅为0.6m,在保证机械强度和矿用防爆要求的情况下,实际电气控制腔体的内部净高仅为22cm,安装空间十分狭小。同时机体重量轻,煤层夹矸严重,薄煤层采煤机电控系统的设计还需要适当考虑械振动的影响。目前国内使用的PLC或者工控机技术的采煤机控制系统,体积较大、功能简单、扩展性能差、安装走线繁琐、并且几乎没有抗振动性能。无论是从电气性能还是机械安装的角度均无法满足极薄煤层采煤机的性能要求,为此,需要研究开发一套专用的电气控制系统。在详细分析了极薄煤层采煤机电气控制系统需求的基础上,结合了现代电子技术和工业控制先进技术,并且充分考虑后续技术发展的要求,研究实现了这套全新的电控系统。论文主要进行了以下三个方面的研究和实现工作:1.提出了采用分布式总线结构,将控制系统划分为若干模块,以CAN总线进行连接,结构灵活、可扩展性强、可以方便地更替或增加功能模块扩展采煤机性能。2.首次在采煤机控制领域使用ARM芯片控制技术,同时部分模块使用了性能优异的DSP控制器作为核心。结合ARM和DSP技术,为日后实现无人工作面、故障自诊断等,奠定了强大的硬件平台。实现了新兴电子技术和控制技术与传统工业控制设备的融合,大幅提升了薄煤层采煤机电控系统的性能。3.针对极薄煤层采煤机特殊的工作环境,在抗电磁干扰、抗机械振动、耐潮防爆等方面,分别从电气设计和机械设计的角度采取了多种措施,确保电控系定在采煤机上稳定可靠的运行。论文还通过该套控制系统性能测试工作,验证了方案的可行性,并对测试结果结果和现场使用情况的反馈进行分析,针对部分设计不足之处提出了具体的改进建议。论文成果对于其它矿用电气控制系统的设计具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 目前采煤机控制技术的现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 1.4 论文结构
• 第二章 采煤机及采煤工作面介绍
• 2.1 采煤机结构及工作面
• 2.2 采煤机在工作面的牵引行走
• 2.3 动力设备的操控与保护
• 2.4 工作面三机联动
• 2.5 系统故障诊断能力
• 2.6 采煤机控制系统的特殊要求
• 第三章 采煤机电气控制系统的研究
• 3.1 采煤机电控系统主体结构的研究
• 3.2 分布式控制系统底层通信网络的研究
• 3.2.1 高可靠性通信网络介绍
• 3.2.2 控制器区域网络（CAN）介绍
• 3.3 高性能工业控制器与可编程硬件
• 3.4 嵌入式控制软件与实时操作系统
• 3.5 用于煤矿的特殊电气防爆技术
• 3.6 可靠性与抗干扰技术研究
• 3.6.1 电控系统可靠性设计
• 3.6.2 电控系统抗电磁干扰设计
• 3.7 极薄煤层采煤机电气控制系统需求分析
• 3.7.1 控制系统性能及构架需求分析
• 3.7.2 主要控制量及通信端口统计
• 3.7.3 矿用设备防爆性和可靠性的要求
• 3.8 极薄煤层采煤机电气控制系统方案设计
• 3.8.1 电控系统硬件构架方案
• 3.8.2 底层通信网的选择和设计
• 3.8.3 底层通信软件的设计
• 3.9 主要控制模块规划及功能划分
• 第四章 控制系统各模块的实现
• 4.1 主控制器模块的硬件实现
• 4.2 主控制器模块的软件实现
• 4.3 模拟量及RTD采集模块
• 4.4 开关量控制模块
• 4.5 语音预警模块
• 4.6 端头操作控制站
• 4.7 其它相关设计
• 第五章 系统联调与测试
• 5.1 系统集成调试
• 5.1.1 硬件调试
• 5.1.2 通信部分调试
• 5.1.3 控制软件调试
• 5.2 控制系统与采煤机联合调试
• 5.3 系统性能测试
• 5.4 测试中发现的问题及解决方法
• 第六章 结论
• 6.1 研究与实现过程回顾
• 6.2 主要工作内容及创新点
• 6.3 结论与展望
• 6.4 实际推广使用情况
• 参考文献
• 致谢
• 附录一 电控系统实验室调试图片
• 附录二 样机在总装车间调试图片