西门子CPU模块6ES7511-1FK02-0AB0
1 引 言
采煤机是综采工作面的主要设备，它的正常运转决定着综采工作面的生产效率。采煤机的性能是否可靠，一方面取决于机械部分的设计与制造，以及是否合理地使用，另一方面取决于电气控制系统是否完善有效。如果将采煤机比作人，机械部分就是人的四肢和躯干，电气部分就是人的大脑，所以，电气控制系统在采煤机中至关重要。目前国产采煤机的电气控制系统的控制器基本上都是各种品牌的PLC，虽然由PLC控制的采煤机具有监测和故障诊断功能，基本能满足使用的要求。但由于采煤机工作环境恶劣，零部件多，结构复杂，致使采煤机司机不能及时掌控采煤机的各项运行参数，可能使采煤机带病工作，进而出现故障，为了提高采煤机的开机率，必须增加采煤机远程监测和故障诊断功能。还有，由于综采工作面矿工劳动强度太大，急需降低，必须建立自动化综采工作面，那么采煤机就必须具有记忆截割的功能。另外，由于采煤机电控箱空间的限制，如果采用现场总线，将在提高电气控制系统可靠性地同时更有利于安装和维修。要使采煤机具有远程监测和故障诊断与记忆截割的功能，并且使用现场总线，如果电气控制系统不作出革新，就很难满足需求。为了适应发展，西安煤矿机械公司开发了以贝加莱工业自动化的PCC（Programmable Computer Controller）为控制器的新型电气控制系统。
2 采煤机电气控制系统设计
采煤机是多电动机联动、技术要求较高的机械设备。它工作在潮湿、多尘、震动、高瓦斯的矿井，并且工况环境复杂多变，以及自身重量很大，惯性大，还要求能够方便地操作、低故障率等，这就给采煤机电气控制系统的设计提出了很高的要求。采煤机的电气控制系统框图如图1所示。
图1 采煤机控制系统框图
（1）控制计算机（采用贝加莱的PCC）
控制计算机（由2003系列PCC的CPU模块和通讯块组成）是采煤机电气控制系统的核心，采煤机正常工作时，变频器的牵引方向、加减速控制、左右摇臂升降、制动抱闸的开断、左右截割电动机的温度监测、牵引变压器温度监测、牵引和截割电动机的电流采样，以及采煤机恒功率保护、过零保护、瓦斯断电保护、截割电动机过载保护等均通过控制计算机来实现。
控制计算机接收开关量输入模块和模拟量输入模块的数据，并通过开关量输出模块将指令传给电磁阀组，通过通讯接口将采煤机的参数传给显示计算机，通过通讯接口将指令传给主变频器。
（2）开关量输入输出模块
开关量输入模块主要接收端头站、遥控器和控制面板按钮发出的指令信号。开关量输出模块主要将控制器的指令传送给电磁阀组，以控制采煤机摇臂的升降、截割电动机的启停、制动抱闸的开断。
（3）模拟量输入模块
模拟量输入模块主要接收截割和破碎电动机的电流，牵引变压器、截割和破碎电动机的温度，摇臂的角度，瓦斯的浓度等模拟信号，然后送到控制计算机。
（4）显示计算机（采用贝加莱PP系列人机界面）
显示计算机提供丰富且人性化的人机界面，将以下数据信息形象地显示给用户。
·采煤机控制计算机的输入、输出状态
·截割电动机、牵引电动机的电流、温度
·牵引变压器的温度
·采煤机的牵引状态、牵引速度
·采煤机的工作状态及故障信息
·变频器的数据、工作状态及故障信息等
3 硬件系统设计
贝加莱的可编程计算机控制器（PCC）综合了传统PLC和工业PC两者的优势，如前者的高可靠性、灵活的扩展性和环境适应能力，后者的多任务处理方式、高速运算能力、采用**语言编程和开放的通讯等。PCC是目前工业领域***的控制技术之一，具有分时多任务处理机制、高速的运算能力、大容量内存和存储单元以及强大的通讯组网能力。
PCC之所以能成为当今增长速度*快的工业运动控制设备，是由于它具备了许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。PCC的主要特点如下：
（1）可靠性高、抗干扰能力强
高可靠性是PCC*突出的特点之一，PCC的平均无故障时间（MTBF）可达几十万小时。由于工业生产过程经常昼夜连续，工业现场环境恶劣，各种电磁干扰特别严重。针对这些情况，PCC采取了一系列措施，其主要方法是对所有输入/输出（I/O）接口电路均采取光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PCC的影响。
（2）设计、安装容易、调试周期短、维护简单
（3）模块品种丰富、通用性好、功能强大
（4）体积小、能耗低
（5）强大的Automation Studio软件开发平台
西安煤矿机械有限公司开发的MG650/1630-WD采煤机电气控制系统，根据实际的控制要求，选用了贝加莱的下列自动化产品来构成系统：
（1） 控制计算机（即2003系列PCC）
如图2所示，控制计算机由7CP570.60-1和3IF722.9 组成。7CP570.60-1是2003系列的PCC，它的CPU是Celeron 300，64 MB DRAM，通讯接口有：USB、RS232、Ethernet。3IF722.9是通讯板卡，包含的通讯接口有：CAN、RS485、RS232。控制计算机通过RS485接口控制主变频器，通过Ethernet接口和采煤机上的显示计算机通讯，通过CAN接口和距离采煤机几百米外的显示计算机交换数据。
图2 控制系统实物示意图
（2）开关量输入输出模块
如图 2所示，开关量输入输出模块选用了两块7DM465.7，每块7DM465.7有16路输入和16路输出。
（3）模拟量输入模块
如图 2所示，模拟量输入模块根据需要选用了一块7AT324.70，三块7AI354.70 ，这四个模块都插在适配器模块7AF101.7上。每块7AT324.70有四路温度输入，每块7AI354.70有四路模拟量输入。
（4）显示计算机（即贝加莱的Power Panel系列人机界面）
如图2所示，由于需要在两个相距几百米的地方都要人机界面显示，故选用两个显示计算机 4PP320.1043-31和4PP420.1043-75，其中4PP420.1043-75还具有数据传输中继的功能。
4 PCC调速器的软件结构
按照功能和优先级的不同，PCC调速器的软件被划分为测频程序、步进电机驱动程序、运算程序、主控程序、报警程序、通讯功能程序以及人机界面程序等程序模块。各程序块既相互独立又互相关联，在分时多任务操作系统平台上由主控程序统一调度来完成调节器的各项操作、控制、显示和报警功能。这种程序结构充分发挥了PCC分时多任务操作系统的优势并且使得调速器程序得到了优化。该系统的主控制程序流程如图3所示。
图3 主控制程序流程图
5 调速器各项功能的软件实现
5.1 频率测量与滤波
PCC内部拥有高达6M Hz的计数基准频率，因此它具有比普通PLC更高的测频精度。经信号处理模块整形后的机频、网频信号分别引入PCC的TPU通道1和2，利用时间测量功能块LTXcpiC和LTXcpiD分别测量机频和网频脉冲信号的相邻两个上升沿之间的时间，然后根据该功能块注释中提供的计算公式可计算出实测频率，即：
f＝fe/DifCnt
fe为PCC内部晶振频率（数值为6291667），DifCnt 为相邻两上升沿之间的计数值。
此外，为提高测频回路的抗干扰能力，我们在该程序模块里添加了具有滤波功能的程序段。该程序通过比较相邻两个波形的频差是否超出正常频差范围（差值可由用户设定）来判断并过滤干扰信号。频率测量及滤波（以机频为例）的部分程序段如下所示：
……
Speed1 FUB LTXcpi1（）
；alias call TPU FBK
Hz_real1＝4000000.0/Speed0.DifCnt＊Speed0.PCnt；Calculate Hz
delta1＝Hz_real1－50.0
；Calculate the delta value
PT1＝Speed0.PRest
……
如程序所示，我们将实测的机频定义为临时机频（tempFj）而真正参与运算的机频被定义为实际机频（ActFj），二者的差值与频差上限（FilterFj_Diff）相比较之后，如在频差范围以内说明后面的波形是实际的机频信号，反之则说明遇到了干扰信号，这个波形应被过滤。
5.2 步进电机的驱动和控制
步进电机是高精度数字元件，它可以迅速且**定位，用它来控制调速器的执行机构是一个非常好的选择。此外步进电机可与丝杠位移传感器构成一个闭环系统，这样可以对因频繁工作而丢步的步进电机进行零位校正。
5.3 运算程序
毫无疑问，数值运算是PCC调速器软件的核心部分。一个好的算法不但能够提高运算的速度和精度而且还能节省CPU资源。PCC操作系统在提供灵活多样的编程语言的同时也提供了强大的浮点运算功能。简单的逻辑处理仍然可以采用梯形图的方式，但**语言的应用则改变了以往PLC编写运算程序相对比较困难的局面，以前需要许多句梯形图语句才能完成的复杂计算过程如今只需定义变量后输入公式即可。此外，一般普通的PLC只能进行整型变量运算，而PCC则可以进行浮点型变量运算，这使得运算精度得到大大提高。
以下是一段计算程序例子：
……
Fe＝（Fc－Fx）/50.0
d_Yp＝Kp＊（Fe－Fe_1x）
d_Yi＝Ki＊Ts＊（Fe－bp＊（Y_pid－Pc_1x））
d_Yd＝（Kd＊（Fe－2＊Fe_1x＋Fe_2x））/（T0＋Ts）＋（（T0＊d_Ydtem）/（T0＋Ts））
Y_pid＝（Y_tem＋d_Yp＋d_Yi）＋d_Yd+Pc_1x－Pc_2x
……
6 结束语
成都拜尔电力设备有限公司开发的基于可编程计算机控制器PCC技术的新型水轮机调速器采用奥地利贝加莱（B&R）公司的2003系列模块作为控制核心部件，具有可靠性高、响应速度快、运算功能强大、人机界面友好和调节品质高等优点，其各项静态、动态指标全部满足并且部分优于国标GB/T9652-1997中的相关技术要求，经过实际长期应用，表现出良好的稳定性，是行业技术的发展方向