电气控制系统概况
目前国外先进的采煤机主控制系统都是基于网络总线结构的微机控制系统，牵引控制系统采用了一拖一变频调速系统。这些系统实现了采煤机完善的动作控制，系统关键点的故障自诊断和实时保护，工况监测和运行数据记录、数据初步分析和远程监测等功能。部分系统还具有局部网络化扩展和记忆切割功能。
这些先进的性能建立在以下三个方面的基础之上：
² 遍布在采煤机各关键部位上数目众多的各种类型传感器能提供可靠准确的数据；
² 主控制器具有强大的数字运算功能，能在极短的时间里对采样的数据进行快速高效的运算，并得出正确的结果；
² 主控制器和各种传感器、动作执行单元及变频器之间有高速高可靠性的总线连接。
近年来，国内采煤机电气控制系统也有较大的发展。许多高校、科研院所和采煤机制造厂在这方面作了很多工作。目前国内主要有两类煤机控制系统，一类是基于PLC的控制系统，另一种是基于工控机的控制系统，但都是普通产品应用级的控制系统。
PLC技术比较成熟，开发环境简单，但作为通用产品与采煤机上的专用传感器和特殊的操作设备接口不便，实际应用中还需要引入许多接口转换器和特殊的扩展模块，使系统速度降低，不能满足系统大量数据实时检测处理，难以实现一些高级复杂的控制和故障诊断算法。
在工控机方面，国内主要采用一体化工控机外配基于485总线的各类输入输出模块构建系统。这类系统在硬件上开发投入少，软件开发环境简单，但由于结构紧凑的工控机系统对外接口数目比较少且多为低速串口，与外围模块之间通信速度低使访问控制效率较低，在实际使用中表现为操作反应比较迟钝，保护的实时性比较差。
控制系统设计思路
根据国内煤炭开采对采煤机先进可靠控制技术的迫切需求，我们在本公司九十年代开发的、以PLC为核心的采煤机控制系统的基础上，开拓性的开发了新一代分布嵌入式控制系统。在总体设计方案中，新的控制系统继承了老的控制系统中经过现场验证的经典设计部分，并建立了一个技术先进，具有高度扩展能力，主体结构能满足今后5-10年采煤技术发展的体系结构。
控制系统采用模块化网络分布式结构，根据控制对象的结构和功能特点将控制系统划分为若干功能模块，各模块相对独立，模块之间以高可靠的现场总线相连。主控模块设计成以DSP控制器为核心的功能单元，利用DSP控制器的超强数字运算功能，将大量传感器的信息进行综合处理，从而实现高实时性的智能控制。
控制系统主要特点
主控制系统部分（见图15）
图15 采煤机控制系统结构图
² 采用网络分布式控制结构，具有高度灵活的可扩展性，主体结构可满足今后5-10年采煤机技术发展需求；
² 采用在汽车、机器人等工业领域广泛使用，被证明是成熟可靠的CAN控制总线；
² 首次在采煤机上采用高性能DSP控制器，利用DSP技术提高采煤机控制系统的基本性能，并为进一步发展煤岩界面自动识别、煤机自动操作技术和在线故障诊断，提供强大的硬件支持；
² 在系统设计中大量采用数字传感器技术，利用数字传感器技术提高采煤机控制系统功能和性能；
实现了主控制器与变频器的总线连接，将变频器故障与主控部分的故障统一显示，方便了观察与操作，并将变频器难以记忆的故障代码翻译为中文标识，便
瓦斯监控单元
采用实时浓度显示的瓦斯传感器，并提供瓦斯浓度超限前的语音与声光预警以及超限断电保护功能。
5.2.7 主显单元
采用大屏幕的嵌入式平板机作为主显示单元，主画面的显示内容丰富生动，通过多级菜单，可观察到详尽的参数趋势图，故障处理的图文提示，主控计算机的各种状态（见图17、图18、图19）。可记录长达一年的采煤机的运行数据，并可通过存储介质方便导出，以便分析使用。
图17采煤机主显系统操作的主界面
5.2.9 分布式控制结构
为了满足现代采煤机监控功能不断增强的要求，采用基于现场总线的分布式控制结构，形成星型和总线型相结合的分布式控制网络。控制系统关键模块间采用了高速CAN控制总线连接，具有如下特点：
①优先级的消息结构；
②可以保证的传输延迟时间；
③灵活的配置特性；
④时间同步的多播特性；
⑤系统范围的数据一致性；
⑥多主机结构；
⑦错误侦测与通知；
⑧当总线空闲时立即重传出错的消息；
⑨能够区分临时错误和节点的永久失效，并自动将失效节点关闭。
利用CAN总线自身优势，结合面向消息的透明控制信息传送技术，可以使系统中各模块以很小通信开销，便能获得充分实时的全系统消息共享。
这种拓扑结构可将通信连接故障限制在非常有限的范围，可以避免因部分通信线损坏造成系统瘫痪，具有较强的抗干扰能力，可靠地用于井下电缆容易损坏场合。机上两台变频器及左右端头操作站可直接互换无需设置通信地址，方便了用户备配件的采购和管理。
系统提供顺槽通信接口，采用标准modbus协议，可与工作面及矿井综合信息网相连，实现三机联动。
5.2.10 基于DSP的嵌入式控制器硬件设计
在控制系统的硬件设计中，大量采用高集成度和高性能的DSP控制器作为各模块和功能单元的核心。所选用的DSP控制器,采用高性能静态CMOS技术，具有片上CAN总线模块等。采用性能优异的数字滤波与运算，大幅提高了系统性能。采用专用的动力监测模块，可实现五路大功率设备的三相负荷监控，具有理想的反时限过载保护特性、相不平衡和短路保护，并实现了电机电流检测传感器通道的故障自检测，可检测电流传感器失效、精度超限、零点飘移等故障。
DSP控制器的高速处理能力，可以直接对一些关键信号进行实时的在线频谱、功率谱分析，这些处理和分析对发展机械系统故障的在线监测和煤岩界面自动识别有重要意义。
5.2.12 软件开发和系统仿真测试
在系统原理设计完成后，我们对原理电路逻辑进行了计算机仿真，重点对关键部分建模仿真，根据仿真结果对原设计进行修改和优化。部分模块内部时序仿真波形见图20、图21、图22。
在软件开发过程中，将系统软件分为控制软件和通讯软件两大部分进行开发与测试。在实验室模拟系统实际工作状态。
完成系统控制软件的设计后，在模拟现场条件的情况下对系统软硬件进行整体功能测试，效果良好。
图20 主控制器部分操作仿真波形
硬件试制
电气控制系统中，使用了许多DSP控制器为核心的印制电路板。其均为多层应制板，结构复杂，密度高，制作难度大。经过反复试验，不断完善，最终获得合格的电路板。
系统的布置、接线和连线，从可靠性和抗干扰性着手，再结合结构紧凑合理，防震、防水、防潮，满足散热等要求，一处一处把关，使得集成系统的性能、可靠程度达到满意的效果。
软件调试
在对系统进行计算机仿真基础上，系统软件在调试过程中经过多次修改和优化，并模拟现场条件进行测试，效果良好。
补充材料：
三种控制方式
对于整机的控制有三种人机交互方式：无线遥控器、端头操作站、机身按钮。
1）无线遥控器：操作人员可以随身携带，通过无线方式实现采煤机的牵引停止、牵引方向、加/减速、主停、左摇臂升降（左摇控器）、右摇臂升降（右摇控器）的控制。井下控制距离15米有效，为推荐使用的操作方式。无线遥控的信号流程为：遥控接收盒将接收到的无线信号经过检波、放大、解码等环节后，驱动相应继电器，转变为接点信号。然后送入数字量模块，经处理后送给中央控制模块。
2）端头操作站：置于采煤机两端，通过有线方式,从采煤机的两端实现采煤机的牵引停止、牵引方向、加/减速、主停、左摇臂升降(左端头站)、右摇臂升降(右端头站)的控制。端头操作信号的流程：端头操作信号通过端头站的处理后，通过485总线送入中央控制模块。
3）机身按钮：置于电控箱面板上，可以实现机组的主启、主停、牵电、牵启、牵停、方向、加/减速、运闭、截割/调动方式、显示等控制。按钮信号的流程：除主启和主停两按钮外，其余按钮信号送入牵引控制/备用远控切换盒。其中，牵启、向左、向右、牵停四个按钮通过继电器切换，一方面送入数字量模块，一方面控制相应的继电器，完成备用远控功能。牵电、加速、减速、方式、显示按钮则送入数字量模块。以上按钮信号经数字量模块处理后送入中央控制模块。
三种控制方式的指令通过不同路径汇总到中央控制模块后，统一由中央控制模块进行处理，再送入牵引控制/备用远控切换盒。驱动相应的继电器后，接点信号经牵引电缆的控制芯线送入变频调速箱。指令信号则由中央控制模块输出，送入牵引控制/备用远控切换盒，经牵引电缆的控制芯线送入变频调速箱。
MG300/666-BWD薄煤层采煤机电控系统方案说明
一 电气控制系统方案说明
1． 电气系统概述
MG300/666-BWD薄煤层采煤机总装机功率为666kW，整个电气系统分为顺槽内电气系统和采煤机上电气系统，系统方案图见附录A。系统采用变频器机外载、一拖二方式。顺槽内电气系统主要有3300V/380V牵引变压器、变频调速箱、采煤机顺槽同步显示箱。其中变频调速箱采用我公司生产的ZBT-80/380C型变频调速想装置，该装置采用日本安川G7变频器，外加RC5能量回馈单元，可使牵引电机运行于四象限状态；顺槽同步显示箱为我公司生产的XJC-10型电牵引采煤机显示箱。
采煤机机上电气系统，包括七个电机、采煤机控制部件电控箱、端头操作站、遥控发射机、瓦斯传感器、语音预警扬声器、以及各种传感器等。七个电机分别是：四个截割电机，截割电机功率为150kW；两个牵引电机，牵引电机功率为30kW；一个泵电机，功率为6kW。每个电机均安装有电流互感器和温度传感器，可以为电机提供可靠的功率和过热等保护。采煤机具有截割电机恒功率自动控制、重载反牵等保护功能；具有牵引电机恒功率自动控制、超载保护功能，泵电机过载保护功能。采煤机具有面板操作、端头操作、遥控操作等多点操作功能，同时提供电控系统故障情况下的备用远控功能。
2． 控制系统说明
采煤机控制系统采用模块化的设计方案，根据功能将系统划分为：中央控制单元、数字量模块、模拟量模块、语音预警模块和机载通信模块。各个模块之间采用CAN Bus进行通信，实现指令传递和数据共享。所有模块均采用高集成度和高性能的DSP控制器作为核心。采用DSP技术不但可以使采煤机控制系统具有性能优异的控制和保护功能。从技术发展的角度来讲，由于DSP控制器高速处理能力，可以直接对一些关键信号进行实时的在线频谱、功率谱分析，这些处理和分析对发展机械系统故障的在线监测和煤岩界面自动识别有重要意义。
下面简要介绍一下个模块的功能。
中央控制模块:该模块是采煤机的中央控制器，负责整个采煤机的电气系统控制，通过CAN 总线与其他模块交换信息；同时该模块还有数个RS485通信端口，其中两个端口用于与左、右端头操作站交换信息、一个端口与显示器传输数据、一个端口用于从参数存储/更新器中读取参数，还有一个端口与瓦斯传感器交换信息，另备有RS485通信端口。由于采用非机载方式，用于给变频器发送速度指令的模拟量输出也由该模块实现。
数字量模块：该模块用于接收来自于面板按钮和遥控接收机的信号，并输出开关量信号去驱动液压电磁阀组，同时发给变频器的开关量指令也是由该模块输出的。
模拟量模块：该模块用于采集七路电流互感器提供的各个电动机电流数据和七路电机温度传感器提供的电机温度数据，只有模拟量采集功能，不具有模拟量输出功能。
机载通信模块：该模块基本功能为顺槽载波通信，通过CAN 总线采集采煤机的运行数据，通过载波通信将数据传输到顺槽显示箱，同步显示采煤机的工作状况。当机器发生故障时，可在顺槽对采煤机的故障作出预判。同时，为实现薄煤层采煤机的顺槽控制提供可能。
语音预警模块：该模块主要用于语音预警，接收机器当前主要操作状态和故障信息，经处理后送语音预警器，实施报警。
除了以上说明的五大功能模块外，还有无线遥控接收模块、牵引备用切换模块和电源模块。牵引备用控切换模块内部主要为用于直接控制牵引系统的继电器组；电源模块则提供整个控制系统的控制电源，包括非本安+12V和+24V电源，以及本安+5V电源。
3．顺槽同步显示箱：
为了能在相对安全的地方监视采煤机的运行情况，提供一顺槽同步显示装置。该显示装置可安装在远离采煤机的顺槽组合开关旁边，同步显示采煤机的运行状况和故障信息。同步显示装置的基本功能如下：
（1） 实现顺槽与采煤机之间的双向数据传输；
（2） 允许在顺槽静止的开关架上同步显示采煤机的运行状态信息，显示方与煤机上主显示器形式相同；
（3） 提供能与运输机和支架控制系统通信的数据端口，形成工作面三机联动的数据网关；
支持将采煤机的工作状态数据实时送入矿井综合信息网，并允许地面调度室对采煤机的工作状态进行调节。
二 电控箱结构说明
电控箱的结构图见附录B。
附图A
附图B
全新设计的电气控制系统继承了老的控制系统中经过现场验证的经典设计部分，并建立了一个技术先进，具有高度扩展能力，主体结构能满足今后5-10年采煤技术发展的体系结构。
控制系统采用模块化网络分布式结构，根据控制对象的结构和功能特点将控制系统划分为若干功能模块，各模块相对独立，模块之间以高可靠的CAN Bus现场总线相连。主要控制模块的设计以DSP控制器或ARM控制器为核心，充分利用DSP控制器的超强数字运算功能，并结合ARM控制器丰富的外部接口，从而实现了高实时性的智能控制。
本采煤机电控系统具有常规的控制和保护功能，如截割电机恒功率控制、重载反牵控制、截割电机热保护、牵引电机热保护、变频器漏电保护和过电流保护等，以及无线电遥控系统等。除此之外，还可以通过在CAN Bus总线上增加功能模块的方式对控制系统进行功能上的扩展和完善，为今后更高层次的应用提供了良好的平台。