煤礦電牽引采煤機自動控制系統(tǒng)設計

付欣睿

（陽泉市燕龕煤炭有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

我國機械自動化水平與控制技術飛速發(fā)展，礦井生產(chǎn)過程逐漸由半自動化開采發(fā)展為全自動化開采，以機械設備代替人工勞動，以智能控制降低操作失誤，提高企業(yè)的生產(chǎn)能力與創(chuàng)新技術[1]。以采煤流程為例，國內(nèi)礦井經(jīng)歷了人力、炮采、普采與綜采四個階段，最終向“智采”方向發(fā)展。電牽引采煤機憑借可靠性高、維護簡單等優(yōu)點，逐漸被迅速推廣應用，成為煤炭采掘的主流設備之一[2]。采煤機控制系統(tǒng)是綜采工作面的關鍵系統(tǒng)之一，提高其控制精度、監(jiān)測能力與數(shù)據(jù)傳輸速度是綜采自動化與智能化的必然趨勢，因此本文將針對電牽引雙滾筒采煤機自動控制系統(tǒng)展開分析。

1 控制系統(tǒng)總體設計

1.1 采煤機組成

雙滾筒采煤機包括驅動電機、牽引部、截割部與其他附屬裝置組成。電動機通常為水冷，通過輸出軸與減速器齒輪傳動，分別驅動截割滾筒與牽引裝置[3]。

牽引部為采煤機的行走機構，負責移動、機器與清理落煤的工作，雙滾筒電牽引采煤機的牽引部分為左右兩部分，包括牽引機構及電傳動部分，電牽引采煤機采用獨立電機驅動牽引部，配有兩個齒輪傳動箱，電機經(jīng)二級齒輪減速器傳動后，由行星架輸出到驅動滾輪，滾輪與行走輪嚙合，實現(xiàn)采煤機沿工作面的前后移動。

截割部包括減速箱、截割滾筒、搖臂、調高系統(tǒng)等組成。電機與減速器連接，降速增矩后傳遞給截割滾筒，對煤壁進行切割，利用螺旋葉片與擋泥板將煤炭送入刮板輸送機。截割部工作過程中受到的沖擊大，負載不均勻，所以截割部的機械設備需要較高的硬度與強度，電氣控制系統(tǒng)需要較強的抗干擾性與穩(wěn)定性[4]。

1.2 系統(tǒng)功能

采煤機控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的是對牽引部與截割部的自動控制和各項數(shù)據(jù)采集與傳輸功能，具體如下：

1）數(shù)據(jù)采集功能：對采煤機的牽引狀態(tài)、截割負載、姿態(tài)、位置與環(huán)境中的瓦斯?jié)舛刃盘栠M行采集，通過模數(shù)轉換模塊與RS485 串口進行傳輸。

2）牽引部自動控制功能：根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，控制制動器，在停車時制動采煤機，正常工作時松閘；向變頻器發(fā)出左、右前進信號，控制采煤機相應動作，完成牽引部的自動調速功能。

3）截割部自動控制功能：根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制算法，預測搖臂軌跡，分別獨立控制各滾筒電機的啟停信號；搖臂升降，通過控制電磁閥的開啟與關閉，實現(xiàn)搖臂高度與位置自動調整。

4）遠程監(jiān)控功能：將采煤機的運行工況通過總線傳輸?shù)缴衔粰C，技術人員通過監(jiān)控機實現(xiàn)采煤機的遠程調控。

1.3 系統(tǒng)總體方案設計

采煤機自動控制系統(tǒng)采用DSP 控制器，完成系統(tǒng)的控制決策、通訊協(xié)議、數(shù)字量與模擬信號的采集、控制算法處理等功能。采煤機運行過程中所需監(jiān)測的參數(shù)包括采煤機所在位置、姿態(tài)、各驅動電機的電流、電壓等信號、液壓系統(tǒng)的油液壓力與液位等參數(shù)。電機參數(shù)、采煤機姿態(tài)與位置為數(shù)字量信號，通過RS485 串口通信傳輸?shù)紻SP 處理器中，液壓系統(tǒng)參數(shù)與瓦斯?jié)舛葹槟M量參數(shù)，經(jīng)過模數(shù)轉換后傳輸?shù)教幚砥?，通過處理分析，將參數(shù)寫入采煤機的控制模型，實現(xiàn)采煤機速度與調高的自適應控制?？刂破魍ㄟ^通訊協(xié)議將監(jiān)測參數(shù)傳輸?shù)较锏辣O(jiān)控機，技術人員可直接向控制器發(fā)出控制指令，實現(xiàn)遠程調控功能。控制器配有監(jiān)控屏，與處理器通過RS232串口連接。系統(tǒng)的整體方案如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體控制方案

2 系統(tǒng)自動控制技術分析

2.1 采煤機牽引部自動控制技術

采煤機在自動調速過程中，牽引速度與采煤機的截割負載、截割深度、滾筒轉速等密切相關，其中最主要的影響因素為截割負載。本文采用截割電流預測控制方法，通過測量截割電流預測采煤機的截割負載，進而對牽引速度進行預測控制。建立截割電流、轉速和載荷的物理模型，探究電機電流、滾筒轉速與截割負載之間的關系，獲取數(shù)據(jù)集。建立三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡，利用小波變換對截割電機的電流信號與轉速信號進行處理，將兩個信號的有效值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡輸入，輸出為采煤機截割負載，系統(tǒng)設定負載閾值，當預測負載大于設定閾值時，降低牽引速度；反之，增大牽引速度。

2.2 采煤機截割部自動控制技術

截割部自動調高控制采用紅外探測法，以地質數(shù)據(jù)建模，根據(jù)巖石與煤層物理特性的不同，確定切割時產(chǎn)生的溫度閾值。利用高精度紅外溫度探測儀，測量滾筒截齒附近的溫度，從而判斷截割部位是否到達邊界。紅外探測儀具有較強的穿透力，不受粉塵與水霧的影響，可取代人工目視，準確定位。

3 控制系統(tǒng)硬件設計

3.1 硬件整體方案選型設計

系統(tǒng)的硬件整體結構如圖2 所示?？刂葡到y(tǒng)采用DSP 處理器，利用DSP 的高速處理能力、高集成性與可編程性，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型移植、控制決策、信號采集、數(shù)據(jù)通信等功能。根據(jù)系統(tǒng)功能與應用環(huán)境，選擇的DSP 芯片具體型號TMS320F2812，芯片采用靜態(tài)CMOS 技術，電源供電電壓3.3 V，工作溫度-40～＋80℃，內(nèi)核頻率150 MHz，片內(nèi)RAM存儲器36 kB。

圖2 硬件整體結構設計

系統(tǒng)存儲模塊負責采煤機運行參數(shù)與控制參數(shù)的存儲記憶，方便對歷史數(shù)據(jù)的查詢與記錄。本系統(tǒng)選擇SD 卡作為數(shù)據(jù)存儲工具，SD 卡具有容量大、安全性高與讀寫速度快的優(yōu)點，可在SD 與SPI 兩種模式下工作，與DSP 內(nèi)部集成的SPI 模塊相契合。

3.2 通信接口設計

系統(tǒng)采集電機參數(shù)、采煤機位置、采煤機姿態(tài)、變頻器參數(shù)等數(shù)字信號時，均通過RS485 接口進行通信。RS485 傳輸距離遠，可達1 200 m 左右，抗干擾能力強，傳輸速率可達10 Mbps，符合礦井采掘工作面的功能需求。系統(tǒng)的RS485 接口電路如圖3 所示，MAX485 芯片的RO 引腳接DSP 內(nèi)置串口SCIB模塊的SCIRXDB 引腳，/RE 與DE 引腳接GPIOB 引腳，輸入高低電平控制輸入信號的輸入輸出。A 和B引腳接采煤機數(shù)字信號傳感器的通信接口。

圖3 RS485 接口電路設計

4 結論

1）系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡結構對采煤機的牽引速度進行預測控制，利用巖石物理特性與紅外探測技術，替代人工目視，判斷截割位置，實現(xiàn)自動調高控制。

2）對系統(tǒng)硬件的核心處理器與存儲單元進行選型，設計了系統(tǒng)的串口通信接口電路，提高了系統(tǒng)對采煤機的自動化控制程度，降低了人工成本與操作失誤概率，提高了系統(tǒng)信號傳輸?shù)目垢蓴_性。