基于CAN总线的带式输送机自移机尾电液控制系统设计研究

刘志明

(潞安环能股份公司 常村煤矿，山西 长治 046102)

带式输送机是井下巷道的主要运输设备，自移机尾衔接桥式转载机和带式输送机，其工作效率的高低将直接影响采煤工作面的生产效率，实现自移机尾自移、调偏和调高等功能的自动控制，对提升煤矿生产的自动化、智能化水平具有现实意义。

1 自移机尾应用现状

自移机尾从行走方式上，一般有履带行走式、棘轮棘杆式和双液压缸推动式，而从结构形式上可分为固定滚筒式和有移动小车式。履带行走式自移机尾由于结构复杂，并没有得到广泛的推广使用。棘轮棘杆式自移机尾，一般用于和1.2 m以下胶带机配套。目前，国内外最广泛使用的是双液压缸推动式自移机尾，生产此类设备的典型厂家有美国JOY公司、德国DBT公司、张家口煤机厂、西北奔牛集团等。这些厂家生产的自移机尾以有移动小车结构为主，一般适用于1.4 m带式输送机的使用，能满足最长3 000 m走向工作面的使用要求。国内外自移机尾均采用人工手动控制，尚未实现设备的自动控制。

2 控制系统概述

本项目控制系统采用数字马蹄尔电液控制系统，主要由操作箱、数字油缸、倾角传感器、电磁阀、无线遥控器、激光扫描仪等部件组成。自移机尾系统模型见图1 。

图1 自移机尾系统模型

操作箱是本系统的关键部件，它连接了数据传输系统、执行器件、控制系统。图2 为自动控制系统的拓扑图。

图2 自动控制系统拓扑

操作箱集大屏能实时显示各种信息；数字油缸安装行程传感器，可精确控制与反馈油缸的行程，且油缸采用陶瓷缸体，耐腐蚀性更强，增加油缸的使用寿命；激光扫描仪可利用激光测距技术在120°范围扫描测距，实时反馈扫描到的物体位置，形成120°范围内的物体轮廓；同时，激光扫描仪还能探测出胶带相对于设定位置的偏移，为自动控制系统提供自移机尾位置偏移的数据；遥控器采用902～928 MHz的频段，利用射频模块将无线的遥控信号转化成CAN总线信号来控制操作箱；倾角传感器可实时输出相对于水平面的倾斜和俯仰角度。

3 自动控制原理

启动设备后，若遇到故障问题，系统将自动停机结束整个过程；若无故障，系统会通过检测判断自移机尾是否需要推移。推移之前检测胶带偏移量，若大于设定偏移量会进行一定纠偏，若偏移量低于设定值，则不进行纠偏，直接进行推移。设备被推移后，根据设定的参数进行自动推移。纠偏分为调平和调偏两种，当偏移量超过设定量时，程序将进行自动纠正。具体实现流程如图3所示。

图3 自动控制系统流程原理

4 系统设计

4.1 通信设计

自移机尾电控系统控制连接10个数字油缸以及1个倾角传感器、1个激光扫描仪。如果采用I/O点对点方式进行通信控制，设备下井拆解接线复杂，故障排查费时费力。 I/O点对点通信控制的接线，如图4所示。

图4 I/O点对点通信控制的接线

如果采用总线通讯控制，所有部件由总线连接，设备拆解方便，组合简单明了。总线控制下的接线，如图5所示。

图5 总线控制下的接线

目前ModbusRTU和CAN是常用的工业自动化通讯公有协议，任何人都可以使用，而ModbusRTU采用的底层是RS485。通过表1中CAN与RS485性能对比，在自移机尾项目中，采用CAN总线作为底层通讯方式，这样对整个系统的可靠性，维护性等方面都有很大的提升。

表1 CAN与RS485性能对比

4.2 控制模块设计

控制模块之间的耦合是非常复杂的问题，国外主流的设计有“机架式”和“模块式”。机架式有固定的长度，并且机架上有固定的槽位安装模块。这样的结构并不适合自移机尾电控系统的设计，因为机架的尺寸会比较大，不符合尺寸的要求。

本项目采用的是“模块式”的设计，模块之间利用导片进行耦合。这样的设计模块需要多少块就添加多少块，不会浪费并且还可以达到尺寸的最小化。(模块拓扑图，如图6所示)。

图6 模块拓扑图

4.3 电磁阀控制电路设计

电磁阀回路利用10个继电器进行间接控制，输出采用12 V的本安电源驱动。每回路单独利用控制器进行控制(电磁阀回路，如图7所示)。

图7 电磁阀回路

4.4 操作箱防爆设计

操作箱主要由3个腔体构成，按照我国的防爆要求规定，防爆设备必须有单独的本安和隔爆接线腔。因此主体防爆部分用于安放元器件，其他两个腔分别是本安接线腔和防爆接线腔(防爆壳体，如图8所示)。

图8 防爆壳体

4.5 控制模式设计

4.5.1 手动控制

未采用控制系统操控自移机尾时，煤矿井下自移机尾使用的是手动阀人工操控。在这种情况下，仅给阀组供液就可以进行自移机尾的操作。为了在采用电磁阀的情况下，也能实现脱离电气完全手动控制，电磁阀采用了特殊的结构设计，可以采用电磁、手动两种控制方式，这样在断电检修、设备故障时，都不会影响设备的使用(电磁阀内部结构，如图9所示)。

图9 电磁阀内部结构

4.5.2 无线遥控

在现场使用过程中，经常会遇到自移机尾手动调整情况，尤其是在成套设备没有运行的检修过程中，就要用到无线遥控技术。本项目无线遥控频段采用的是902 ～928 MHz的频段，利用射频模块将无线的遥控信号转化成CAN总线信号，传递给操作箱(遥控器控制原理，如图10所示)。

图10 遥控器控制原理

4.5.3 自动控制

自移机尾控制逻辑由故障诊断系统、信号过滤系统、自动推移、自动调平、自动纠偏五部分构成。五部分之间相互配合，方可共同完成机尾自移的控制。在自动控制模式下，控制程序自动运行，CPU通过总线传输回来的数字油缸脉冲信号、激光扫描仪的数据，自动控制自移机尾进行设备推移和纠偏。

5 结 语

本文构建的基于CAN总线通信的自移机尾电液控制系统，介绍了自移机尾在井下应用时需注意的通讯方式选择、控制模块选择、防爆性能、控制模式设计要点。该系统可自动精确控制自移机尾的推移和纠偏，取代人工操作调节机尾的工作方式，是提高煤矿自动化、智能化生产水平的重要技术之一。