基于CAN總線(xiàn)的帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

劉志明

(潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102)

帶式輸送機(jī)是井下巷道的主要運(yùn)輸設(shè)備，自移機(jī)尾銜接橋式轉(zhuǎn)載機(jī)和帶式輸送機(jī)，其工作效率的高低將直接影響采煤工作面的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)自移機(jī)尾自移、調(diào)偏和調(diào)高等功能的自動(dòng)控制，對(duì)提升煤礦生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化水平具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 自移機(jī)尾應(yīng)用現(xiàn)狀

自移機(jī)尾從行走方式上，一般有履帶行走式、棘輪棘桿式和雙液壓缸推動(dòng)式，而從結(jié)構(gòu)形式上可分為固定滾筒式和有移動(dòng)小車(chē)式。履帶行走式自移機(jī)尾由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并沒(méi)有得到廣泛的推廣使用。棘輪棘桿式自移機(jī)尾，一般用于和1.2 m以下膠帶機(jī)配套。目前，國(guó)內(nèi)外最廣泛使用的是雙液壓缸推動(dòng)式自移機(jī)尾，生產(chǎn)此類(lèi)設(shè)備的典型廠家有美國(guó)JOY公司、德國(guó)DBT公司、張家口煤機(jī)廠、西北奔牛集團(tuán)等。這些廠家生產(chǎn)的自移機(jī)尾以有移動(dòng)小車(chē)結(jié)構(gòu)為主，一般適用于1.4 m帶式輸送機(jī)的使用，能滿(mǎn)足最長(zhǎng)3 000 m走向工作面的使用要求。國(guó)內(nèi)外自移機(jī)尾均采用人工手動(dòng)控制，尚未實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)控制。

2 控制系統(tǒng)概述

本項(xiàng)目控制系統(tǒng)采用數(shù)字馬蹄爾電液控制系統(tǒng)，主要由操作箱、數(shù)字油缸、傾角傳感器、電磁閥、無(wú)線(xiàn)遙控器、激光掃描儀等部件組成。自移機(jī)尾系統(tǒng)模型見(jiàn)圖1 。

圖1 自移機(jī)尾系統(tǒng)模型

操作箱是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它連接了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、執(zhí)行器件、控制系統(tǒng)。圖2 為自動(dòng)控制系統(tǒng)的拓?fù)鋱D。

圖2 自動(dòng)控制系統(tǒng)拓?fù)?/p>

操作箱集大屏能實(shí)時(shí)顯示各種信息；數(shù)字油缸安裝行程傳感器，可精確控制與反饋油缸的行程，且油缸采用陶瓷缸體，耐腐蝕性更強(qiáng)，增加油缸的使用壽命；激光掃描儀可利用激光測(cè)距技術(shù)在120°范圍掃描測(cè)距，實(shí)時(shí)反饋掃描到的物體位置，形成120°范圍內(nèi)的物體輪廓；同時(shí)，激光掃描儀還能探測(cè)出膠帶相對(duì)于設(shè)定位置的偏移，為自動(dòng)控制系統(tǒng)提供自移機(jī)尾位置偏移的數(shù)據(jù)；遙控器采用902～928 MHz的頻段，利用射頻模塊將無(wú)線(xiàn)的遙控信號(hào)轉(zhuǎn)化成CAN總線(xiàn)信號(hào)來(lái)控制操作箱；傾角傳感器可實(shí)時(shí)輸出相對(duì)于水平面的傾斜和俯仰角度。

3 自動(dòng)控制原理

啟動(dòng)設(shè)備后，若遇到故障問(wèn)題，系統(tǒng)將自動(dòng)停機(jī)結(jié)束整個(gè)過(guò)程；若無(wú)故障，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)檢測(cè)判斷自移機(jī)尾是否需要推移。推移之前檢測(cè)膠帶偏移量，若大于設(shè)定偏移量會(huì)進(jìn)行一定糾偏，若偏移量低于設(shè)定值，則不進(jìn)行糾偏，直接進(jìn)行推移。設(shè)備被推移后，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)推移。糾偏分為調(diào)平和調(diào)偏兩種，當(dāng)偏移量超過(guò)設(shè)定量時(shí)，程序?qū)⑦M(jìn)行自動(dòng)糾正。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)控制系統(tǒng)流程原理

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 通信設(shè)計(jì)

自移機(jī)尾電控系統(tǒng)控制連接10個(gè)數(shù)字油缸以及1個(gè)傾角傳感器、1個(gè)激光掃描儀。如果采用I/O點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式進(jìn)行通信控制，設(shè)備下井拆解接線(xiàn)復(fù)雜，故障排查費(fèi)時(shí)費(fèi)力。 I/O點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信控制的接線(xiàn)，如圖4所示。

圖4 I/O點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信控制的接線(xiàn)

如果采用總線(xiàn)通訊控制，所有部件由總線(xiàn)連接，設(shè)備拆解方便，組合簡(jiǎn)單明了。總線(xiàn)控制下的接線(xiàn)，如圖5所示。

圖5 總線(xiàn)控制下的接線(xiàn)

目前ModbusRTU和CAN是常用的工業(yè)自動(dòng)化通訊公有協(xié)議，任何人都可以使用，而ModbusRTU采用的底層是RS485。通過(guò)表1中CAN與RS485性能對(duì)比，在自移機(jī)尾項(xiàng)目中，采用CAN總線(xiàn)作為底層通訊方式，這樣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，維護(hù)性等方面都有很大的提升。

表1 CAN與RS485性能對(duì)比

4.2 控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊之間的耦合是非常復(fù)雜的問(wèn)題，國(guó)外主流的設(shè)計(jì)有“機(jī)架式”和“模塊式”。機(jī)架式有固定的長(zhǎng)度，并且機(jī)架上有固定的槽位安裝模塊。這樣的結(jié)構(gòu)并不適合自移機(jī)尾電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因?yàn)闄C(jī)架的尺寸會(huì)比較大，不符合尺寸的要求。

本項(xiàng)目采用的是“模塊式”的設(shè)計(jì)，模塊之間利用導(dǎo)片進(jìn)行耦合。這樣的設(shè)計(jì)模塊需要多少塊就添加多少塊，不會(huì)浪費(fèi)并且還可以達(dá)到尺寸的最小化。(模塊拓?fù)鋱D，如圖6所示)。

圖6 模塊拓?fù)鋱D

4.3 電磁閥控制電路設(shè)計(jì)

電磁閥回路利用10個(gè)繼電器進(jìn)行間接控制，輸出采用12 V的本安電源驅(qū)動(dòng)。每回路單獨(dú)利用控制器進(jìn)行控制(電磁閥回路，如圖7所示)。

圖7 電磁閥回路

4.4 操作箱防爆設(shè)計(jì)

操作箱主要由3個(gè)腔體構(gòu)成，按照我國(guó)的防爆要求規(guī)定，防爆設(shè)備必須有單獨(dú)的本安和隔爆接線(xiàn)腔。因此主體防爆部分用于安放元器件，其他兩個(gè)腔分別是本安接線(xiàn)腔和防爆接線(xiàn)腔(防爆殼體，如圖8所示)。

圖8 防爆殼體

4.5 控制模式設(shè)計(jì)

4.5.1 手動(dòng)控制

未采用控制系統(tǒng)操控自移機(jī)尾時(shí)，煤礦井下自移機(jī)尾使用的是手動(dòng)閥人工操控。在這種情況下，僅給閥組供液就可以進(jìn)行自移機(jī)尾的操作。為了在采用電磁閥的情況下，也能實(shí)現(xiàn)脫離電氣完全手動(dòng)控制，電磁閥采用了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以采用電磁、手動(dòng)兩種控制方式，這樣在斷電檢修、設(shè)備故障時(shí)，都不會(huì)影響設(shè)備的使用(電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖9所示)。

圖9 電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.5.2 無(wú)線(xiàn)遙控

在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到自移機(jī)尾手動(dòng)調(diào)整情況，尤其是在成套設(shè)備沒(méi)有運(yùn)行的檢修過(guò)程中，就要用到無(wú)線(xiàn)遙控技術(shù)。本項(xiàng)目無(wú)線(xiàn)遙控頻段采用的是902 ～928 MHz的頻段，利用射頻模塊將無(wú)線(xiàn)的遙控信號(hào)轉(zhuǎn)化成CAN總線(xiàn)信號(hào)，傳遞給操作箱(遙控器控制原理，如圖10所示)。

圖10 遙控器控制原理

4.5.3 自動(dòng)控制

自移機(jī)尾控制邏輯由故障診斷系統(tǒng)、信號(hào)過(guò)濾系統(tǒng)、自動(dòng)推移、自動(dòng)調(diào)平、自動(dòng)糾偏五部分構(gòu)成。五部分之間相互配合，方可共同完成機(jī)尾自移的控制。在自動(dòng)控制模式下，控制程序自動(dòng)運(yùn)行，CPU通過(guò)總線(xiàn)傳輸回來(lái)的數(shù)字油缸脈沖信號(hào)、激光掃描儀的數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制自移機(jī)尾進(jìn)行設(shè)備推移和糾偏。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文構(gòu)建的基于CAN總線(xiàn)通信的自移機(jī)尾電液控制系統(tǒng)，介紹了自移機(jī)尾在井下應(yīng)用時(shí)需注意的通訊方式選擇、控制模塊選擇、防爆性能、控制模式設(shè)計(jì)要點(diǎn)。該系統(tǒng)可自動(dòng)精確控制自移機(jī)尾的推移和糾偏，取代人工操作調(diào)節(jié)機(jī)尾的工作方式，是提高煤礦自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)水平的重要技術(shù)之一。