電牽引采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

董 禹

(西山煤電 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

電牽引采煤機(jī)作為煤礦井下開采作業(yè)的核心設(shè)備之一，在綜采生產(chǎn)中主要承擔(dān)切割煤層和裝煤的任務(wù)。電牽引采煤機(jī)內(nèi)部主要由電氣、機(jī)械及液壓系統(tǒng)組成，其中電氣控制系統(tǒng)作為采煤機(jī)正常運行的控制樞紐，其系統(tǒng)性能及可靠性是采煤機(jī)安全穩(wěn)定運行的重要保障[1-4]。目前采煤機(jī)對于自動截割、自適應(yīng)牽引、組建物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫等智能化功能的需求日益增長，對相應(yīng)電控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力及通訊速度等性能的要求也不斷提高，因此開發(fā)運算能力強(qiáng)、靈活性及可靠性高的智能采煤機(jī)電控系統(tǒng)是十分必要的。

早期的采煤機(jī)電控系統(tǒng)采用單片機(jī)控制核心，其CPU運算能力差，系統(tǒng)擴(kuò)展性和兼容性差，已不再適用于智能化電控系統(tǒng)設(shè)計方案。目前國內(nèi)大多數(shù)采煤機(jī)電控系統(tǒng)采用PLC集成式系統(tǒng)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力及擴(kuò)展性都有一定程度的提高，但當(dāng)需要實現(xiàn)更為復(fù)雜的控制功能時需要添加許多特殊擴(kuò)展模塊，系統(tǒng)的靈活性仍然較差。針對上述采煤機(jī)電控系統(tǒng)存在的問題，本文設(shè)計了一套以DSP為控制核心的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)，通過對DSP主控芯片的選型及各功能模塊方案設(shè)計實現(xiàn)對采煤機(jī)牽引部、截割部等關(guān)鍵部位的控制、監(jiān)測、遙控等功能，從而保證采煤機(jī)安全穩(wěn)定運行。

1 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

采煤機(jī)電控系統(tǒng)是實現(xiàn)采煤機(jī)牽引調(diào)速、截割控制、搖臂調(diào)節(jié)及實時監(jiān)測功能的基礎(chǔ)，在對其進(jìn)行設(shè)計前首先需明確系統(tǒng)功能需求。

(1) 牽引部分控制功能。牽引部是驅(qū)動采煤機(jī)移動的動力單元，主要通過主、從變頻器對左、右兩臺牽引電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，電控系統(tǒng)需對主、從變頻器進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對兩臺牽引電機(jī)的調(diào)速[5，6]。

(2) 截割部分控制功能。采煤機(jī)截割部主要負(fù)責(zé)煤層截割，由截割滾筒及搖臂組成，電控系統(tǒng)需通過主控模塊控制兩臺截割電機(jī)驅(qū)動截割滾筒轉(zhuǎn)動，同時控制電磁閥對搖臂液壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)搖臂的升降控制。

(3) 遠(yuǎn)程控制功能。采煤機(jī)控制系統(tǒng)可通過地面上位機(jī)對井下采煤機(jī)進(jìn)行實時控制與監(jiān)測，現(xiàn)場下位機(jī)將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳至上位機(jī)，并由上位機(jī)向控制模塊發(fā)送控制指令，最終由控制模塊根據(jù)相應(yīng)指令完成對采煤機(jī)的控制，二者通過總線通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

(4) 運行監(jiān)測功能。控制系統(tǒng)可通過傳感器對截割電機(jī)、牽引電機(jī)、減速箱、齒輪箱、滾筒及軸承等主要傳動機(jī)構(gòu)的運行參數(shù)進(jìn)行采集并上傳至控制模塊中，由控制模塊對各類采集信號進(jìn)行分析處理，實現(xiàn)實時檢測及故障預(yù)警診斷。

根據(jù)上述對系統(tǒng)控制功能的分析，本文采用模塊化思想對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，按照不同功能將系統(tǒng)劃分為DSP主控模塊、觸摸顯示模塊、上位機(jī)模塊、ADC輸入模塊、通訊模塊及數(shù)字量接口模塊，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主控模塊選用DSP控制器，用于各類傳感器信號的采集、上傳及分析處理，并執(zhí)行上位機(jī)下達(dá)的相關(guān)控制指令。通訊模塊主要為各類通訊接口，包括RS232、RS485、CAN總線及DSP控制器自帶的通訊接口等。上位機(jī)監(jiān)控模塊的人機(jī)交互界面用于采煤機(jī)運行參數(shù)的實時顯示及相應(yīng)控制、報警指令的下達(dá)，通過CAN總線與下位機(jī)進(jìn)行通迅。觸摸顯示模塊用于現(xiàn)場運行參數(shù)的實時顯示，同時現(xiàn)場工人可在井下通過觸摸屏對系統(tǒng)標(biāo)定、報警等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過RS232與DSP控制器實現(xiàn)通迅。數(shù)字量接口模塊用于對DSP主控模塊的數(shù)字量接口進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足系統(tǒng)對眾多復(fù)雜數(shù)字量的控制需求。ADC輸入模塊用于對各傳感器模擬信號進(jìn)行集中采集。

2 硬件方案設(shè)計

采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)硬件部分主要由DSP主控模塊、數(shù)字量接口模塊、ADC輸入模塊及觸摸顯示模塊等部分組成，上述主要功能硬件的設(shè)計與選型對整個控制系統(tǒng)的性能及可靠性具有重要影響。

主控模塊選用TMS320F28335型DSP主控芯片，其內(nèi)部采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，指令處理速度可達(dá)6.67 ns，具有8個外部中斷、18路PWM輸出的增強(qiáng)型外設(shè)模塊、3個32位定時器及具備16個轉(zhuǎn)換通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器，最高轉(zhuǎn)換速度可達(dá)80 ns，同時采用了哈佛流水線結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對中斷的快速響應(yīng)及處理，其性能完全滿足本系統(tǒng)對端口數(shù)量、A/D轉(zhuǎn)換及運算速度等的功能需求。

選用EMP240T100C5型復(fù)雜可編程邏輯器件對主控芯片的數(shù)字量接口模塊進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計，其內(nèi)部具有80個I/O引腳、4種(1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V)可選I/O電壓及4個全局時鐘，可解決本控制系統(tǒng)數(shù)字量復(fù)雜且眾多的問題。

控制系統(tǒng)的ADC輸入模塊采用TMS320F28335芯片自帶的16路12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，其轉(zhuǎn)換速度可達(dá)80 ns，同時支持多通道轉(zhuǎn)換，通過各類傳感器的采集上傳即可完成對電牽引采煤機(jī)關(guān)鍵部位的電流、溫度、振動等參數(shù)的檢測，從而實現(xiàn)對采煤機(jī)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。

本系統(tǒng)的觸摸顯示模塊選用MT8070iH型人機(jī)交互界面，屏幕尺寸采用16∶9的7寸65536色LCD寬屏，分辨率可達(dá)(800×480)像素，完全滿足顯示需求。同時觸摸屏提供了128 MB內(nèi)存、1個以太網(wǎng)口、3組異步式串行通訊端口及2個USB接口，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约办`活性，可實現(xiàn)采煤機(jī)運行狀態(tài)參數(shù)的實時顯示[7,8]。通過內(nèi)部搭載的EB8000 V2.0.0觸摸屏編程軟件可快速對交互界面的監(jiān)測、運行、故障及提示窗口進(jìn)行編輯，通過RS232接口可實現(xiàn)與DSP主控模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

3 軟件方案設(shè)計

采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)軟件部分主要為主控模塊程序，本文采用順序掃描形式對DSP主控程序進(jìn)行設(shè)計，DSP主控模塊主程序流程如圖2所示。系統(tǒng)在完成初始化后由各傳感器將采煤機(jī)運行參數(shù)采集后經(jīng)DSP主控模塊上傳至觸摸屏及上位機(jī)交互界面進(jìn)行監(jiān)測，若采煤機(jī)各部位未出現(xiàn)故障情況，則DSP主控程序?qū)?shù)字量輸入模塊進(jìn)行掃描，讀取相應(yīng)控制指令，然后根據(jù)指令運行相應(yīng)控制程序完成對采煤機(jī)的控制，并對此程序循環(huán)執(zhí)行。若系統(tǒng)在監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)存在故障，則立刻停止運行采煤機(jī)并由系統(tǒng)記錄故障信息，當(dāng)故障解除時即對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位并繼續(xù)執(zhí)行主程序。

圖2 DSP主控模塊主程序流程圖

采煤機(jī)通過主控模塊所收集的電流及轉(zhuǎn)速信號與設(shè)定值對比后進(jìn)行牽引加速、減速控制，從而實現(xiàn)對采煤機(jī)電機(jī)速度的自動控制。程序在對截割電機(jī)進(jìn)行自檢后即可進(jìn)入加減速控制階段，當(dāng)牽引方向改變后即根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定值對采煤機(jī)牽引速度進(jìn)行加減速控制，最終完成整個采煤流程，若采煤過程未結(jié)束則繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行此程序。采煤機(jī)調(diào)速程序流程如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)調(diào)速程序流程圖

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題，采用了運算能力強(qiáng)、硬件資源豐富的DSP主控器及數(shù)據(jù)傳輸效率及靈活性更高的總線通信技術(shù)設(shè)計了一套基于DSP的電牽引采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對采煤機(jī)截割部及牽引部等關(guān)鍵部位的遠(yuǎn)程控制及實時監(jiān)測功能，從而保證了采煤機(jī)在井下的智能化運行。