• 论文
主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会
智能化采煤机总线电磁干扰模型建立及布线工艺优化
  • Title

    Establishment of intelligent shearer bus electromagnetic interference model and wiring process optimization

  • 作者

    魏东王忠宾赵亦辉李凤麟赵友军司垒李福涛

  • Author

    WEI Dong;WANG Zhongbin;ZHAO Yihui;LI Fenglin;ZHAO Youjun;SI Lei;LI Futao

  • 单位

    中国矿业大学 机电工程学院西安煤矿机械有限公司

  • Organization
    School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology
    Xi’an Coal Mine Machinery Company
  • 摘要

    智能化采煤机是煤矿综采工作面的关键装备。受智能化采煤机隔爆电控箱内部空间限制,其内部电子电气器件、变频器动力电缆和总线存在混合布线情况,所形成的电磁干扰严重影响了采煤机总线通讯的稳定性和可靠性。随着装机功率持续增加和采煤机智能化需求越来越高,智能化采煤机电气及控制系统总线面临的电磁干扰愈发严峻。目前采煤机电控箱内布线工艺主要以经验为主,缺乏针对智能化采煤机电控箱内电磁环境的有效仿真手段和电控箱内线场传输耦合模型的研究,尚不能为智能化采煤机控制系统总线抗干扰能力提升提供技术支撑。因此,如何有效抑制电磁干扰并优化布线工艺,提升总线通信的稳定性,已经成为智能化采煤机亟待解决的重要问题。针对智能化采煤机总线抗干扰技术的需求,建立了智能化采煤机电控箱内动力线缆辐射干扰模型,提出了输出动力线缆电磁辐射快速估计方法,分析了变频器输出动力线缆所产生的电磁辐射受开关频率、输出电压及启动状态的影响;建立了基于双导体传输线的采煤机CAN总线串扰特性分析模型,提出了基于串扰影响因子的采煤机CAN总线串扰估计方法,研究了总线受串扰影响程度与布线距离、线缆类型及距地高度等的关系。基于上述理论分析设计了智能化采煤机电控箱总线抗干扰优化布线工艺,研发了采煤机总线抗干扰测试可视系统。为了验证所提采煤机布线工艺优化方法的可行性,设计并开展了电控箱布线优化前后的总线干扰测试实验,结果表明:优化前后CAN总线数据帧波形的偏差程度分别为0.149 3和0.030 5,受扰率分别为56.07%和35.33%。

  • Abstract

    Intelligent shearer is a key equipment for a fully mechanized coal mine working face. For intelligent shearers, due to the internal space limitation of flameproof electric control box, there are usually mixed wiring situations with the cables of internal electronic and electrical components, inverter power, communication bus, etc., which seriously affects the stability and reliability of shearer bus by electromagnetic interference. As the installed power continues to increase and the shearer's intelligent demand becomes higher, the electromagnetic interference of the intelligent shearer's electronic and electrical control system bus becomes more severe. At present, the wiring process in the shearer’s electrical control box is mainly based on experience. There are still no effective estimation means for the electromagnetic environment and the research is limited on the coupling model of line field transmission in the shearer’s electrical control box, causing that it cannot provide technical support for improving the bus anti-interference ability of intelligent shearer control system. Therefore, to inhibit electromagnetic interference effectively and optimize the wiring process for improving the stability of bus communication has become an important problem to be solved urgently for intelligent shearer. According to the requirements of anti-interference technology of intelligent shearer bus, the radiation interference model of the power cable in the control box of intelligent shearer is established, and the rapid estimation method of the output-power-cable electromagnetic radiation is proposed. Furthermore, the electromagnetic radiation of the output power cable of the frequency converter is analyzed, which is influenced by switching frequency, output voltage, and starting state. Then, the analysis model of the shearer CAN bus crosstalk characteristics based on the double conductor transmission line is established, the crosstalk estimation method of the shearer CAN bus based on the crosstalk influence factor is proposed, and the relationship between the crosstalk effect of bus and wiring distance, cable type, height from the ground, and other factors is studied. Based on the analysis mentioned above, a bus anti-interference optimization wiring process and a shearer bus anti-interference test visual system are developed for an intelligent shearer electric control box. To verify the feasibility of the proposed method, the bus interference test experiments are designed and carried out before and after the wiring optimization of the electric control box. The results show that the deviation degree of the CAN bus data frame waveform before and after the optimization is 0.149 3 and 0.030 5, respectively, and the disturbance rate before and after optimization is 56.07% and 35.33%, respectively.

  • 关键词

    智能化采煤机总线抗干扰线缆电磁辐射总线串扰布线优化

  • KeyWords

    intelligent shearer;bus anti-interference;cable electromagnetic radiation;bus crosstalk;arrangement of wire.

  • 基金项目(Foundation)
    国家自然科学基金资助项目(52174152);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2022QN1043)
  • DOI
  • 引用格式
    魏东,王忠宾,赵亦辉,等. 智能化采煤机总线电磁干扰模型建立及布线工艺优化[J]. 煤炭学报,2024,49(6):2905−2923.
  • Citation
    WEI Dong,WANG Zhongbin,ZHAO Yihui,et al. Establishment of intelligent shearer bus electromagnetic interference model and wiring process optimization[J]. Journal of China Coal Society,2024,49(6):2905−2923.
  • 图表
    变频器输出动力线缆辐射干扰路径
    变频器输出动力线缆辐射干扰路径
    电流环天线模型
    电流环天线模型
    单极子天线模型
    单极子天线模型
    线缆的传输线模型
    线缆的传输线模型
    导体线缆单位长度电感计算模型
    导体线缆单位长度电感计算模型
    链参数矩阵级联
    链参数矩阵级联
    偶极子天线模型
    偶极子天线模型
    非平直线缆的镜像法模型
    非平直线缆的镜像法模型
    基于共模回路的系统辐射干扰仿真模型
    基于共模回路的系统辐射干扰仿真模型
    系统辐射干扰数值仿真模型
    系统辐射干扰数值仿真模型
    辐射结果对比
    辐射结果对比
    系统辐射干扰模型与Simulink的联合调控平台
    系统辐射干扰模型与Simulink的联合调控平台
    基于Simulink仿真的不同开关频率对系统辐射干扰影响
    基于Simulink仿真的不同开关频率对系统辐射干扰影响
    输入电压对系统辐射干扰影响
    输入电压对系统辐射干扰影响
    Simulink仿真瞬时启动对系统辐射干扰的影响
    Simulink仿真瞬时启动对系统辐射干扰的影响
    双导体传输线串扰模型
    双导体传输线串扰模型
    双导体传输线截面结构
    双导体传输线截面结构
    导体截面电荷分布
    导体截面电荷分布
    实验平台总体设计
    实验平台总体设计
    总线与动力线缆之间不同距离的干扰结果分析
    总线与动力线缆之间不同距离的干扰结果分析
    不同距离下受干扰数据信号波形对比结果
    不同距离下受干扰数据信号波形对比结果
    不同线型的总线与动力线缆之间的干扰波形分析
    不同线型的总线与动力线缆之间的干扰波形分析
    未接地总线的数据帧波形
    未接地总线的数据帧波形
    裸线型号的不同距离结果分析
    裸线型号的不同距离结果分析
    可视化主界面
    可视化主界面
    电磁场大小数值动态显示
    电磁场大小数值动态显示
    智能化采煤机电控箱优化布线方案示意
    智能化采煤机电控箱优化布线方案示意
    智能化采煤机电控箱优化布线实拍
    智能化采煤机电控箱优化布线实拍
    实验平台方案设计
    实验平台方案设计
    优化前后CAN总线数据波形对比
    优化前后CAN总线数据波形对比

    Table1

    计算时间对比
    计算频点数 估计方法/s 数值仿真/s
    2000 76 836
    20000 997 75001

    Table2

    总线串扰初始数据集
    序号 L/m dc/cm r/mm εr h/cm f/MHz y/V
    1 1 1 0.55 3.18 1 2 0.336 6
    2 1 1 0.55 3.18 1 3 0.272 2
    3 1 1 0.55 3.18 1 6 0.285 8
    4 1 1 0.55 3.18 1 10 0.282 0
    \( \vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \)
    11 1 3 1.00 3.18 1 9 0.172 8
    12 1 3 1.00 3.18 1 10 0.175 6
    \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \)
    119 1 2 0.55 3.18 1 10 0.267 7
    120 2 2 0.55 3.18 1 10 0.239 8

    Table3

    串扰估计对比与评价
    组号 GS-SVR SSA-SVR
    EMAP EMS EMAP EMS
    1 0.5185 0.0211 0.1358 0.0015
    2 0.3025 0.0115 0.1292 0.0012
    3 0.4281 0.0628 0.0918 0.0009
    4 0.5112 0.0034 0.1504 0.0017
    5 0.4914 0.0071 0.1087 0.0010
    6 0.4384 0.0145 0.1323 0.0015
    平均值 0.4484 0.0201 0.1247 0.0013

    Table4

    不同距离下被动力线干扰后的标准差结果
    间隔距离/mm 0 10 20 30 40 50
    波形对应的标准差 0.1476 0.1159 0.0820 0.0563 0.0551 0.0550

    Table5

    不同线型总线与动力线缆之间的干扰标准差结果
    不同线型 裸线 双绞线 屏蔽线
    (接地)
    双绞屏蔽线
    (接地)
    波形对应的标准差 0.05521 0.04244 0.03539 0.03082

    Table6

    未接地总线的干扰数据帧标准差
    不同线型 屏蔽线未接地 双绞屏蔽线未接地 裸线
    波形对应的标准差 0.06386 0.05689 0.05521

    Table7

    波形对比结果
    布线状态 优化前 优化后
    波形对应的标准差 0.14931 0.03052

    Table8

    CANScope总线分析仪测得数据
    序号 时间 状态 传输方向 数据长度 帧ID 帧数据
    1 00:00:00.009 800 成功 接收 8 4A2 H 0C 00 00 00 00 00 00 00 H
    2 00:00:00.059 194 成功 接收 2 000 H 01 0D H
    3 00:00:00.066 444 成功 接收 8 308 H 00 00 00 00 00 00 00 00 H
    \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \)
    6315 00:03:02.255 075 成功 接收 8 4A0 H 00 00 00 00 80 00 00 00 H

    Table9

    布线优化前后数据接收对比
    布线状态 传输方向 帧类型 数据接收成功率
    优化前 接收 标准数据帧 6300/6315
    优化后 接收 标准数据帧 6315/6315

    Table10

    布线优化前后的信号质量
    项目 数据帧ID 平均质量 最大分数 最小分数
    优化前 0 0.600503 0.699199 0.510764
    1192 0.616310 0.738756 0.487622
    1031 0.617014 0.720862 0.524435
    \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \)
    775 0.620335 0.720239 0.488740
    优化后 0 0.702453 0.745657 0.578059
    1192 0.702666 0.728309 0.609136
    1031 0.702738 0.726856 0.608574
    \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \)
    775 0.706400 0.727931 0.607311

    Table11

    共模干扰统计
    帧ID 幅度/V 频率/Hz
    4A9 H 3.451 165
    000 H 3.185 312
    4A6 H 2.833 350
    \(\vdots \) \(\vdots \) \(\vdots \)
    000 H 0.202 68 064
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