基于DSP的電牽引采煤機電控系統(tǒng)設(shè)計

潘亮飛

（山西壽陽潞陽昌泰煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045414）

引言

采煤機作為井下煤礦生產(chǎn)的主要動力設(shè)備，其控制流程安全性和工作穩(wěn)定性關(guān)系著煤炭企業(yè)的生產(chǎn)運營和經(jīng)濟效率，隨著現(xiàn)代科技和信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，各種信息電子設(shè)備在煤礦生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，極大地提高了設(shè)備電控性能，DSP及電子信息技術(shù)的應(yīng)用，使設(shè)備的智能化和可控性增強，并且可以有效監(jiān)控設(shè)備運行狀況，有利于系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)、判斷、排除故障，保證煤炭生產(chǎn)的順利運行。同時，設(shè)備采用DSP核心技術(shù)，使其電子控制系統(tǒng)的擴展性和處理數(shù)據(jù)能力大幅提升，保證采煤機在井下復雜環(huán)境下生產(chǎn)的運行以及數(shù)據(jù)處理需求，提高了電控操控系統(tǒng)工作效率，進而使開采效率得到進一步提高。

1 采煤機工作特點

在煤炭生產(chǎn)中采煤機作為重要的開采設(shè)備，具有功率大、應(yīng)用廣泛、工作效率高等特點。該設(shè)備按結(jié)構(gòu)可分為截割系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及液壓調(diào)高系統(tǒng)等部分，各部功能的實現(xiàn)是通過電子控制系統(tǒng)的實時監(jiān)測和控制來達到的。采煤機電控應(yīng)用系統(tǒng)的控制范圍包括控制升降左右搖臂、控制電機左右截割、牽引左右變頻器及電機、實時采集牽引和截割部分運行狀態(tài)信息，并通過以太網(wǎng)將監(jiān)測信息傳送至控制處理中心，有效預防設(shè)備故障[1]。

2 采煤機電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本論文主要對電牽引采煤電機進行分析和研究，該電機采用了DSP控制器，研究的主要內(nèi)容包括實時監(jiān)控系統(tǒng)、控制操作系統(tǒng)、遠程操作控制系統(tǒng)等部分。其中監(jiān)控系統(tǒng)主要分為采集信息、處理信息以及報警配置；控制操作系統(tǒng)主要包括對牽引和截割兩部分進行控制；遠程控制操作系統(tǒng)主要包括CAN的接口設(shè)計及通信程序軟件等。電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 采煤機電控系統(tǒng)設(shè)計方案

本論文設(shè)計研發(fā)的采煤機采用DSP作為控制核心，其型號為TMS320F2812系列，目前，DSP在工業(yè)領(lǐng)域被普遍應(yīng)用，并以其安全穩(wěn)定的性能受到用戶認可[2]。DSP具有更快的處理能力和處理速度，最高可達ns級。DSP運行時的電壓為：I/O與Flash為3.3 V，內(nèi)核為1.8 V，有效降低了芯片的功耗。DSP具備56個通用的可重復應(yīng)用的編程引腳GPIO，能夠保證采煤機擴展開發(fā)電子控制系統(tǒng)的軟件需求。

該系統(tǒng)在對采煤機電機運行電流狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集時，使用RS-485協(xié)議實現(xiàn)計算機與控制器通訊之間遠距離數(shù)據(jù)信息傳輸，采用三菱GOT1000型觸摸屏，屏上能夠?qū)Σ擅簷C運行狀態(tài)、變頻器運行狀態(tài)、截割機運行電流等工作運行狀態(tài)進行實時顯示。通過芯片CPLD控制牽引電機，對CPLD接口進行擴展，使接口模塊體積得到縮減的同時提高抗震能力[3]。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 電流模擬信號的采集

采集如下頁圖2所示，輸入端的電流通過A_IN0流入，其大小為4～20 mA電流，電流經(jīng)過0.5 W電阻變?yōu)殡妷盒托盘?，穩(wěn)壓二極管D14的作用一方面是防止峰值電壓損壞電路，另一方面是防止感應(yīng)電影響采集數(shù)據(jù)的真實性。B8能夠有效減少電磁的干擾，使傳輸?shù)紸/D的信號精確、平穩(wěn)。

圖2 電流模擬信號的采集模塊

4.2 溫度測量電路的設(shè)計

溫度測量的主要內(nèi)容是要對牽引式變壓器和截割運行電機的溫度變化進行測量，如果電機的溫度過高，系統(tǒng)會及時將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到控制端，再對現(xiàn)場情況進行分析后選擇減少工作量或停機，以避免電機損壞。

讀取DS18B20溫度的主要方式是通過DQ引腳讀、寫高低電平的時序來實現(xiàn)，為使DS18B20驅(qū)動力得到增強，在其引腳上加裝上拉電阻，以確保讀、寫全過程被可靠置低或置高，讀取溫度時首先進行初始化程序，然后進行讀、寫的時序程序。時序程序的編寫將控制主機作為主設(shè)備，單總線元件作為從設(shè)備使用，啟動主機的時序作為一切命令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗紩r間，若從設(shè)備需要回傳數(shù)據(jù)，則要完成主機命令后才能再次開啟時序接收[4]。

4.3 CPLD擴展

當牽引式采煤機工作運行時，需要對多種復雜的參數(shù)進行檢測和控制，短時間內(nèi)完成巨大的數(shù)據(jù)量傳輸，這些參數(shù)包括加減牽引電機的運行速度、上升和下降搖臂、監(jiān)測水及瓦斯流量、啟動和停止截割電機等。DSP引腳無法滿足如此龐大的數(shù)字量處理，故此，采用CPLD芯片來完成對DSP的引腳擴展。

4.4 光電隔離設(shè)計

在DSP各種數(shù)字量的采集處理中，電壓基本為12 V，其電壓的等級比GPIO引腳電壓3.3 V要高，所以，控制應(yīng)用系統(tǒng)需通過加裝隔離模塊將采集來的電量數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成DSP能夠接收和處理的數(shù)據(jù)信號，同時防止控制器受到任何高壓干擾。其中光電的隔離模塊選用TLP521-4型號，可實現(xiàn)四通道轉(zhuǎn)換電量，在設(shè)計DSP時，把GPIOD與GPI OF設(shè)為引腳輸入，可供32個管腳輸入。故此，TLP521-4型芯片的可用個數(shù)是8[5]。圖3為光電隔離電路。

5 軟件設(shè)計

5.1 采煤機控制流程

圖3 光電隔離電路

根據(jù)對牽引式采煤機的研究分析可知，牽引控制系統(tǒng)的主要任務(wù)包括：送電、斷電、停止、加速、減速以及左、右牽引和松、抱閘等；截割控制系統(tǒng)主要任務(wù)包括啟動和停止左右電機、升起和降下左右搖臂等。

牽引送電前提條件是：變壓器不能高于135℃，且水流量正常的情況下才能將“牽引送電”鍵按下，開始送電。送電后牽引變頻器自動檢測需要30 s，其間不能加以牽引或斷電。

牽引斷電前提條件是：變頻器發(fā)生故障或者勵磁完成，而且同時牽引已經(jīng)停止時，按下停止按鈕設(shè)備停止[6]。

左右牽引工作前提條件是：故障變頻器故障排除后或者變頻器勵磁完成后，按下左或右牽引運行按鈕，實施左或右側(cè)牽引。

松閘的前提條件是：當牽引送電或是開始左牽/右牽，同時牽引的速度不是0時，在延時4.8 s后松閘。

牽引停止的前提條件是：將“牽?！辨I按下，停止牽引；同時將“左牽”和“右牽”鍵按下，停止牽引；變頻器障礙，牽引停止；變壓器或電機的溫度超過155℃，且持續(xù)時間30 s，停止牽引；瓦斯的濃度超過限定值，或是斷電儀發(fā)出告警時停止牽引；牽引水流量出現(xiàn)不足，且持續(xù)時間60 s時停止牽引；變頻器電流輸出過大或是溫度過高時停止牽引。牽引在停止以后，速度歸零，同時抱閘。

抱閘的前提條件是：停止牽引或者速度為零。

左/右截割電機的啟動前提條件是：絕緣和水流量的監(jiān)測狀態(tài)正常，截割機左右溫度不超過155℃，這時將“左截啟”或是“右截啟”鍵按下完成電機的啟動。左右兩機啟動時間必須間隔6 s以上。

升降搖臂的前提條件是：將“左升”鍵按下，左搖臂開始上升；將“左降”鍵按下，左搖臂開始下降；將“右升”鍵按下，右搖臂上升；將“右降”鍵按下，右搖臂下降。

5.2 DSP程序的設(shè)計

DSP的程序設(shè)計選用按順序進行掃描的方式，當檢測狀態(tài)正常時對數(shù)字量模塊輸入掃描，掃描成功后進入采煤機操作程序。該部分為采煤機主體程序，具體流程如下圖4所示。

圖4 軟件控制流程

當采煤機因故障停止運行，或發(fā)生重要部位損壞時，要先將采煤機停運，詳細記錄故障時間及相關(guān)信息，當采煤機處于故障狀態(tài)時，不可以自動恢復。必須通過工作人員檢修，排除障礙后啟動復位鍵才能重新啟動采煤機程序[7]。

DSP無論是與主變頻器還是從變頻器數(shù)據(jù)通信過程中，都需要將DSP作為主機，兩臺變頻器均為從機。只有變頻器處于ABB狀態(tài)時DSP才對其發(fā)出讀取指令，以時間間隔0.2 s的中斷式讀取方式從變頻器中獲取信息。觸摸式顯示屏自帶的寄存器與DSP的Modbus-RTU命令格式和通信參數(shù)一致，可以直接通訊。DSP通過CAN總線技術(shù)來完成與遠程計算機之間的數(shù)據(jù)通信，當遠程計算機郵箱收到信息數(shù)據(jù)后，會產(chǎn)生中斷，由DSP對獲取的數(shù)據(jù)幀分析處理后，形成應(yīng)答幀，并完成遠程發(fā)送。遠程計算機能夠?qū)SP中的采煤狀況信息進行實時讀取，通過分析向DSP下達控制指令，以實現(xiàn)對采煤機工作運行的有效控制。

6 結(jié)論

使用DSP作為采煤機的主控制器有利于系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)、判斷、排除故障，使其電子控制系統(tǒng)的擴展性和處理數(shù)據(jù)能力大幅提升，保證采煤機在井下復雜環(huán)境下的生產(chǎn)運行以及處理數(shù)據(jù)需求，提高了電控操控系統(tǒng)工作效率，在硬件的設(shè)計上應(yīng)用了抗干擾優(yōu)異的電流信息采集電路，并設(shè)計了光電轉(zhuǎn)換隔離電路，從而確保了信號采集以及輸入的安全性，進而對主板起到保護作用，在軟件上的設(shè)計采用DSP程序設(shè)計，利用CAN進行數(shù)據(jù)傳輸以及計算機通訊，從而使采煤機的工作性能大幅度提升。