電牽引采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

王俊鑫

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

電牽引采煤機(jī)是井下煤炭開采的重要設(shè)備，其高效穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于煤礦開采效率及安全性至關(guān)重要。而負(fù)責(zé)采煤機(jī)控制部分的電控系統(tǒng)，其主要任務(wù)是對(duì)采煤機(jī)牽引電機(jī)、截割電機(jī)、搖臂等重要部位進(jìn)行基本控制及實(shí)時(shí)監(jiān)測，其可靠性及運(yùn)行效率是保證采煤機(jī)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

目前，國內(nèi)煤礦采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)一般以PLC 為控制核心的集成式系統(tǒng)為主，與傳統(tǒng)單片機(jī)為主控芯片的控制系統(tǒng)相比，PLC 的運(yùn)算能力及可擴(kuò)展性都有所提高，但當(dāng)搭載更為復(fù)雜的控制算法及執(zhí)行更高級(jí)的邏輯控制時(shí)需要增加各類相應(yīng)的擴(kuò)展模塊，系統(tǒng)的靈活性仍有待提高。在運(yùn)行監(jiān)測方面，國內(nèi)許多監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互性較差、系統(tǒng)功能單一，可監(jiān)測參數(shù)數(shù)量有限，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)測。針對(duì)上述存在的問題，本文結(jié)合傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一套基于CAN 總線通信架構(gòu)、DSP為主控芯片的采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)重要機(jī)械及液壓機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程控制及運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障預(yù)警診斷，具有控制精度高、通信性能良好、監(jiān)測參數(shù)全面等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

采煤機(jī)控制監(jiān)測系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成對(duì)采煤機(jī)牽引部加減速及啟?？刂?、截割部啟停控制及搖臂升降控制等基本控制操作及運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，本文將從系統(tǒng)功能分析、軟硬件方案設(shè)計(jì)等方面對(duì)采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)[1-3]。監(jiān)控系統(tǒng)功能分析如下：

1）系統(tǒng)可通過上位機(jī)及DSP 主控器對(duì)左右兩臺(tái)牽引電機(jī)發(fā)出啟動(dòng)/停止、加速/減速、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)等控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的移動(dòng)控制。

2）系統(tǒng)可通過DSP 主控器的數(shù)字量接口對(duì)兩臺(tái)截割電機(jī)及截割滾筒進(jìn)行啟?？刂疲瑫r(shí)通過DSP的輸出指令控制比例電磁閥對(duì)搖臂液壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)搖臂的升降調(diào)節(jié)。

3）采煤機(jī)控制系統(tǒng)可通過地面監(jiān)控中心對(duì)井下采煤機(jī)發(fā)出遠(yuǎn)程控制指令。系統(tǒng)可通過通信網(wǎng)絡(luò)將井下監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至地面上位機(jī)，其中上位機(jī)與DSP 主控器的通信通過CAN 總線接口實(shí)現(xiàn)，DSP主控器與變頻器的通信通過RS485 通信接口實(shí)現(xiàn)。

4）該系統(tǒng)可通過各類傳感器對(duì)采煤機(jī)截割部及牽引部的重要機(jī)電及液壓設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)采集，并上傳至DSP 主控器及上位機(jī)，由上位機(jī)對(duì)各類采集信號(hào)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測及故障預(yù)警診斷。

按照以上系統(tǒng)控制及監(jiān)測需求，本文采用模塊化架構(gòu)將整個(gè)系統(tǒng)劃分為不同功能模塊，具體可劃分為DSP 主控模塊、上位機(jī)監(jiān)控模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)字接口擴(kuò)展模塊，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

由圖1 可知，DSP 主控模塊為該系統(tǒng)的控制核心，在對(duì)現(xiàn)場各傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)采集上傳的同時(shí)通過執(zhí)行上位機(jī)所下達(dá)的指令控制變頻器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)和截割電機(jī)啟停、調(diào)速及搖臂的升降控制功能。由于控制量及監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量較多，DSP 主控芯片內(nèi)部的通用I/O 接口數(shù)量無法滿足系統(tǒng)需求，系統(tǒng)通過對(duì)數(shù)字接口擴(kuò)展模塊的設(shè)計(jì)增加了系統(tǒng)的可用I/O 接口，從而實(shí)現(xiàn)遙控器遠(yuǎn)程控制、瓦斯、煙霧及水流量監(jiān)測等功能，通過擴(kuò)展模塊的輸出接口還可直接對(duì)截割部電機(jī)及搖臂進(jìn)行控制，使系統(tǒng)功能得到完善。數(shù)據(jù)采集模塊主要包括牽引部及截割部監(jiān)測點(diǎn)的各類傳感器，通過DSP 的模擬量輸入接口將采集參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸至DSP 主控模塊。通訊模塊包括RS485、CAN 總線通信接口及DSP 主控芯片內(nèi)部集成的通信接口，用于整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)監(jiān)控模塊主要包括位于地面監(jiān)控中心的監(jiān)控計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、服務(wù)器等，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)的顯示、分析處理及保存打印等功能，并通過CAN 總線通信向DSP 控制器下達(dá)控制指令。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分主要由DSP 主控器、各類傳感器及數(shù)字接口擴(kuò)展板等部分組成，為保證系統(tǒng)的監(jiān)控性能及可靠性，需對(duì)上述主要功能硬件進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與選型。

本系統(tǒng)選用TMS320F2812 型通用DSP 控制器作為下位機(jī)主控模塊，其內(nèi)部具備56 個(gè)可編程GPIO 通用引腳、16 路12 位ADC 模塊、8 個(gè)外部中斷、18 路PWM 輸出的增強(qiáng)型外設(shè)接口及3 個(gè)32 位定時(shí)器，可滿足本系統(tǒng)對(duì)各類監(jiān)測及控制量的傳輸需求。同時(shí)芯片采用了改良哈弗總線結(jié)構(gòu)及高性能靜態(tài)CMOS 技術(shù)，指令處理速度可達(dá)ns 級(jí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類中斷的快速響應(yīng)及處理，其數(shù)據(jù)處理速度、精度及擴(kuò)展性可完全滿足本系統(tǒng)需求。

針對(duì)DSP 主控芯片數(shù)字量接口不足的問題，本文選用XC9536XL-10VQG64C 型CPLD 對(duì)DSP 主控器的數(shù)字量接口進(jìn)行擴(kuò)展。 XC9536XL-10VQG64C 內(nèi)部輸入/輸出端口數(shù)量為36 個(gè)，傳播延遲最大值為10 ns，最大工作頻率178 Hz，工作電壓及電流分別為3.3 V、10 mA，其豐富的I/O 接口數(shù)量可滿足本系統(tǒng)主控芯片數(shù)字量接口的擴(kuò)展需求。

針對(duì)采煤機(jī)主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部減速箱齒輪及軸承的振動(dòng)量及油池油溫的監(jiān)測，本文選用VB31 型礦用溫振一體傳感器進(jìn)行振動(dòng)及溫度量采集，該傳感器采用溫振一體化設(shè)計(jì)，振動(dòng)量程范圍為0.01～199.99mm/s，軸加速度峰值量程為0.01～156.8m/s2，具備4K 高速采集頻率，溫度采集采用PT100 鉑熱電阻，溫度測量量程為-20～85℃，信號(hào)輸出為標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA 電流信號(hào)。

針對(duì)采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速的測量，本文選用GSH900型礦用轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)進(jìn)行轉(zhuǎn)速采集，其工作電壓為DC 12～24 V，有效測距量程為0～20 m，測量靈敏度可達(dá)80%，測量精度可達(dá)1%，可滿足本系統(tǒng)對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速及截割頭行程方向的檢測。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

采煤機(jī)控制系統(tǒng)軟件部分主要包括DSP 主控程序及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測程序兩部分。DSP 主控程序采用順序掃描模式運(yùn)行，程序啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化及自檢流程，當(dāng)采煤機(jī)未發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，主程序?qū)?shù)字接口擴(kuò)展模塊的輸入端及ADC 接口進(jìn)行順序掃描，并通過監(jiān)控上位機(jī)的人機(jī)交互界面對(duì)各運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算發(fā)出相應(yīng)控制指令，最終由DSP 主控器執(zhí)行相應(yīng)控制程序完成對(duì)采煤機(jī)的控制、報(bào)警等操作，DSP 主控模塊主程序流程如圖2 所示。

圖2 DSP 主程序流程圖

運(yùn)行監(jiān)測程序初始化后首先對(duì)監(jiān)測對(duì)象進(jìn)行選擇，由傳感器對(duì)該監(jiān)測量進(jìn)行采集、上傳后由上位機(jī)檢測人系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，若監(jiān)測量超過閾值則立刻停機(jī)報(bào)警，若運(yùn)行正常則繼續(xù)選擇其他運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，最終由系統(tǒng)生成記錄報(bào)表，運(yùn)行監(jiān)測程序流程圖如下頁圖3 所示。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)運(yùn)行測試

4.1 系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制功能測試

為了對(duì)系統(tǒng)功能及運(yùn)行效果進(jìn)行驗(yàn)證，本文在山西古交西曲礦進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行測試。在測試過程中，系統(tǒng)可通過上位機(jī)操作平臺(tái)有效控制變頻器實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割電機(jī)啟停、加減速和正反轉(zhuǎn)，上位機(jī)串口波特率設(shè)置為9600 bps，數(shù)據(jù)位數(shù)設(shè)置為8，停止位1 位，左右兩臺(tái)截割電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間間隔>5 s。當(dāng)通過交互界面點(diǎn)擊左、右牽引時(shí)，采煤機(jī)可通過控制牽引電機(jī)向不同方向加減速實(shí)現(xiàn)左右牽引功能。

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測功能測試

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，上位機(jī)監(jiān)控界面可有效顯示采煤機(jī)主要部位溫度、振動(dòng)、電壓電流等關(guān)鍵參數(shù)及實(shí)時(shí)變化曲線，本部分選取8 組測試過程中的溫度信號(hào)采集值對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測精度進(jìn)行驗(yàn)證，具體測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 溫度采集測試數(shù)據(jù)

由于系統(tǒng)采用PT100 鉑熱電阻對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集，由表可知系統(tǒng)輸出電阻信號(hào)與溫度測試值呈良好線性關(guān)系，最大測量誤差穩(wěn)定控制在1%內(nèi)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測精度良好。

4 結(jié)語

本文通過硬件方案設(shè)計(jì)選型及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對(duì)電牽引采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，在硬件方面采用高性能DSP 主控器及各類傳感器對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與控制，數(shù)據(jù)通過CAN 總線與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)傳輸，由上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制。