煤礦電牽引采煤機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

張衛(wèi)花

（太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司爐峪口煤礦， 山西 太原 033000）

引言

現(xiàn)階段，在煤礦開采活動中電牽引采煤機(jī)屬于關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備，在電氣控制技術(shù)持續(xù)發(fā)展及機(jī)械化程度持續(xù)提高過程中，煤礦開采企業(yè)開始積極引進(jìn)高自動化、大功率電牽引采煤機(jī)。電控系統(tǒng)屬于采煤機(jī)運(yùn)行重要內(nèi)容，傳統(tǒng)電控系統(tǒng)通常選擇PLC 控制器開展設(shè)計(jì)工作，具有采煤機(jī)破碎、牽引、截割等功能。然而因?yàn)镻LC 控制器電控系統(tǒng)的通信速度無法滿足工作要求，因此對于大量數(shù)據(jù)無法進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)處理。無法進(jìn)一步進(jìn)行智能控制開發(fā)，缺乏良好植入性，進(jìn)而造成電控系統(tǒng)功能單一，缺乏良好自動化水平，無法保證采煤自動化需求得到有效滿足[1]。

1 煤礦電牽引采煤機(jī)自動控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

電牽引采煤機(jī)的自動控制系統(tǒng)通常是針對截割部對牽引部展開自動控制、數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)龋饕δ苋缦拢?/p>

首先，數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)主要采集生產(chǎn)環(huán)境瓦斯?jié)舛龋擅簷C(jī)牽引狀態(tài)、位置、姿態(tài)及截割負(fù)載等，同時(shí)借助RS485 串口和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)傳出。

其次，牽引自動控制。結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)控制制動器，停車過程中實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)制動，在日常運(yùn)行中松閘。將左右前進(jìn)信號等發(fā)送給變頻器，對采煤機(jī)相關(guān)動作展開控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)牽引的自動調(diào)速。

再次，截割的系統(tǒng)控制。結(jié)合傳感器信息，對控制算法進(jìn)行執(zhí)行，對搖臂軌跡進(jìn)行預(yù)測，對相關(guān)電機(jī)啟停信號進(jìn)行獨(dú)立控制。搖臂升降，借助對電磁閥開啟及關(guān)閉進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)搖臂位置及高度等方面的自動調(diào)整。

最后，遠(yuǎn)程監(jiān)控。借助總線向上位機(jī)傳輸采煤機(jī)工況信息，技術(shù)人員借助監(jiān)控設(shè)備等對采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[2]。

1.2 自動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

選擇DSP 控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

在本電控系統(tǒng)中，電控系統(tǒng)主要由傳感器檢測模塊、按鍵輸入單元、主控模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、聲光報(bào)警、變頻器及液晶顯示屏等模塊構(gòu)成。核心部分為主控模塊，因?yàn)檫x擇DSP 控制器，所以涵蓋主控制器與輔控制器兩部分內(nèi)容。DSP 主控器主要控制傳感器對采煤機(jī)工況進(jìn)行檢測，展開在線處理及優(yōu)化等工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制功能。對于DSP 輔控制器，屬于主控器后臺運(yùn)算系統(tǒng)，通過DSP 高速運(yùn)算及處理功能，能夠執(zhí)行復(fù)雜智能控制模型及控制算法等，進(jìn)而獲得最優(yōu)調(diào)高數(shù)據(jù)和截割數(shù)據(jù)，之后向DSP 主控器傳輸展開相關(guān)控制，借助DSP 雙控制器，充分強(qiáng)化采煤機(jī)適應(yīng)能力。檢測模塊傳感器的類型，主要涵蓋瓦斯?jié)舛取囟葌鞲衅骷半娏骰ジ衅?。電流檢測涵蓋破碎電機(jī)、截割電機(jī)及牽引電機(jī)等；溫度檢測涵蓋電控箱、破碎電機(jī)、截割電機(jī)及牽引電機(jī)等。調(diào)速模塊主要由一臺主變頻器與一臺從變頻器構(gòu)成，對左右牽引電動機(jī)進(jìn)行牽引，有效提高采煤機(jī)掘進(jìn)效果。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要開展在線監(jiān)測及采煤機(jī)工況管理等工作，借助監(jiān)測數(shù)據(jù)對電控系統(tǒng)的故障隱患及時(shí)進(jìn)行診斷。

2 煤礦電牽引采煤機(jī)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）雙DSP 控制器的型號選擇。基于DSP 研發(fā)的DSP 芯片能夠充分提高數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，對于相關(guān)復(fù)雜智能算法均具有良好適用性，外設(shè)資源豐富，穩(wěn)定性與可靠性突出。所以，可以對電控系統(tǒng)與DSP 進(jìn)行結(jié)合，選擇雙控制器。DSP 主控器及輔助器均選擇TMS320F2812 型號，兩者兼以高速SPI 總線傳輸數(shù)據(jù)。主控器主要是接受檢測模塊中采集的環(huán)境數(shù)據(jù)及采煤機(jī)工況數(shù)據(jù)，同時(shí)開展數(shù)據(jù)處理工作，獲得具體數(shù)據(jù)。另外，借助RS232 并通過液晶顯示屏展示具體信息，借助CAN 總線方式向遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，為工作人員提供準(zhǔn)確的決策依據(jù)。另外，主控器會向輔控器發(fā)送溫度及電流等工況信息，此類數(shù)據(jù)為智能控制模型與控制算法基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，輔控制器能夠有效執(zhí)行智能模型預(yù)算法，之后向主控器發(fā)送控制指令，通過主控器開展采煤機(jī)的組合工藝、自動調(diào)節(jié)及其他操作。智能模型主要涵蓋牽引速度自適應(yīng)控制模型、采煤機(jī)截割負(fù)載預(yù)測等。

2）主變頻器與從變頻器調(diào)速模塊設(shè)計(jì)。該模塊主要是對牽引電動機(jī)進(jìn)行控制拖動，促使電牽引采煤機(jī)穩(wěn)定掘進(jìn)行駛。該電控系統(tǒng)的變頻器調(diào)速模塊主要選擇ASC800 變頻器，同時(shí)選擇DTC 控制方式，具有良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度，沒有高頻噪聲，主要通過DSP 主控器進(jìn)行控制。

變頻器選擇“一拖一”控制策略，借助光纖連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信。在該系統(tǒng)中，主變頻器選擇左牽引變頻器，并借助RS485 通信技術(shù)和DSP 主控器實(shí)現(xiàn)通信，選擇Modbus-RTU 通信協(xié)議。從變頻器主要對主變頻器信息進(jìn)行接收，并通過主變頻器展開控制。借助DSP 主控器對主變頻器進(jìn)行控制，能夠控制牽引機(jī)啟停、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及正反轉(zhuǎn)等操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的牽引啟停、牽引調(diào)速及左右牽引等[3]。

3）CAN 總線通信電路。該電控系統(tǒng)的主控模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)借助CAN 總線方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。主控模塊主要借助DSP 主控器進(jìn)行通信，TMS320F2812 主控器能夠支持CAN 通信，內(nèi)部設(shè)置eCAN 模塊，能夠支持CAN2.0B 通信協(xié)議。對于CAN總線網(wǎng)絡(luò)，對于信號接口選擇CANL 與CANH 形式，另外信號通過差分電壓方式進(jìn)行上下傳輸。然而因?yàn)镃AN 總線和eCAN 模塊電平之間電平特性具有差異性，所以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，電路選擇SN65HVD230 芯片。CAN 通信電平轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。

圖2 CAN 通信電平轉(zhuǎn)換電路

VCC 端電壓是3.3 V，CANL、CANH 和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)CAN 總線接口直接連接；CANRXA、CANTXA端連接于DSP 主控器eCAN 單元。

4）傳感器檢測模塊設(shè)計(jì)。對于傳感器檢測模塊，主要涵蓋瓦斯?jié)舛燃皽囟葌鞲衅鞯取Ｆ渲?，電流互感器選擇LF305-S 型號，電流檢測內(nèi)容涵蓋破碎電機(jī)及截割電機(jī)等；溫度傳感器選擇Pt100 型號，主要對電控箱及牽引電機(jī)等部件運(yùn)行溫度進(jìn)行監(jiān)測；瓦斯傳感器選擇KG9001C 型號，對采煤機(jī)工作環(huán)境中的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測。

2.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

對于下位機(jī)程序設(shè)計(jì)而言，主要涵蓋DSP 主控制器與DSP 輔控制器。該系統(tǒng)主要選擇模塊化編程思想，借助C 語言開發(fā)程序，一些程序選擇匯編語言實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充。開發(fā)軟件選擇TI 公司的XDS100 仿真器與CCS 編程軟件，CCS 軟件選擇CCS3.3 版本。該程序主要涵蓋主程序及相關(guān)子程序，其中子程序主要涵蓋聲光報(bào)警、CAN 通信、左右牽引、左右截煤、液壓升降、冷卻噴霧及DSP 輔控制器等子程序[4]。

3 結(jié)語

當(dāng)前，PLC 主控制器采煤機(jī)自動控制系統(tǒng)并不能夠保證礦井采煤需求得到有效滿足，所以應(yīng)該積極通過DSP 控制器及其他前沿方式對采煤機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過DSP 主控制器對采煤機(jī)工況進(jìn)行采集，并控制操作，借助DSP 輔控制器對智能控制模型及控制算法展開高速運(yùn)算，同時(shí)向主控制器輸送結(jié)果。通過應(yīng)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，選擇雙DSP 主控制器設(shè)計(jì)電牽引采煤機(jī)自動控制系統(tǒng)，可以對采煤機(jī)工況信息進(jìn)行快速運(yùn)算，進(jìn)而對采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及自動截割，有效提高截煤效果與質(zhì)量，為采煤機(jī)的自動化控制提供良好研究思路。