電牽引采煤機電控系統的研究與改進

劉福平

（山西焦煤西山煤電公司官地礦綜安區， 山西 太原 030022）

引言

采用更高自動化的采煤機械設備可以解放工作危險性大、工作量大的井下作業人員，實現井下無人開采，保障煤礦的安全生產，同時集成傳感檢測技術運用到煤礦生產中，保障煤礦設備的可靠運行，保證煤礦的連續正常生產[1]。因此，提高采煤機控制系統的自動化水平是目前采煤作業的的必然趨勢。

1 電牽引采煤機控制系統現狀

目前，采煤機控制系統的核心控制器主要是可編程控制器（PLC）和數字信號處理器（DSP）兩種。目前，國內煤礦礦井中運行的采煤機的控制部分基本上都是以PLC為主。但是以PLC為基礎的控制系統在實現通信時需另外增加通信模塊，且通訊速度無法實現高速的實時性要求，同時在編制控制算法上存在一定的難度，不能很好地滿足對設備運行狀態的實時監測功能要求和采煤生產自動化的需求。DSP的外設功能比較強大，具有很好的擴展性，能夠滿足不同的功能需求，同時還具備設備運行狀態監測與實時通信的遠程監控功能。另外，DSP最突出的一塊是其具有非常強大的的信息處理模塊，能夠對很復雜的算法進行高速運算處理[2]。

有關于采煤機控制方面的研究，在目前的國內外科研院所及企業方面的科研人員一直嘗試著各種努力，尤其是自動化控制方面，以減少人員作業或無人作業為目標，對其進行理論和實踐方面的多次探究和探索。針對采煤機控制方面的運行狀態信息的實時采集、傳遞和遠控，需要研制出更高自動化水平的電牽引采煤機控制系統，以滿足煤礦采煤工作面的自動化需求[3]。

2 電牽引采煤機控制系統需求分析

目前，煤礦主要是以滾筒式電牽引采煤機為主，其結構圖如圖1所示，組成部分主要有牽引部、截割部以及電控部分等三大部分。牽引部主要是由兩個牽引電機組成，用來作為采煤機移動的動力源；截割部是采煤機的主要執行機構，由左右雙滾筒、搖臂、截割電機等組成，搖臂的功能設置主要是用來對采煤機的采煤高度進行調整，截割電機主要是用來調整采煤機的采煤速度，在滾筒轉動過程將煤割下來；其中電控部分為采煤機的主要控制系統，是用來完成對采煤機機械結構動作的控制，并將集成的傳感器實時監測采煤機的運行狀況。

圖1 雙滾筒電牽引采煤機結構圖

電牽引采煤機的控制系統主要是用來完成對采煤機移動、割煤的控制以及采煤機運行狀況的監測。在此基礎上設計一種能夠滿足煤礦采煤自動化作業要求的采煤機控制系統，該系統需具備能夠實現對采煤的自動控制、對采煤機運行狀況數據進行實時采集以及能夠對采煤機實現遠程監控等功能。

2.1 控制系統核心功能

采煤機具有能夠對采集到的信號數據進行快速處理的能力，可以對復雜算法進行運算處理，接口功能強大，具有很好地適應擴展性。

2.2 自動控制功能

對采煤機的運行實現自動控制，需滿足以下幾部分功能的實現：搖臂高度的自動調節、牽引部分對采煤機移動速度的自動調節、采煤工藝的自動實現以及采煤機工況數據的監測和采煤機的運行過程保護。

自動控制功能的實現主要是利用傳感器技術，在采煤機的幾個關鍵位置設置合適的傳感器，通過傳感器采集相應運行過程和運行狀態的信息數據，將采集到的信息反饋到控制中心后對其進行分析處理，然后通過控制器中的先進控制算法進行快速運算處理，與設定參數比對得出結果，接著輸出指令使采煤機按照要求運行實現自動控制。比如采煤機搖臂的高度調整，首先是計算出搖臂的運行軌跡，再將采集到的搖臂現場實時高度信息與要求的軌跡線進行比較，進而輸出合適指令控制搖臂的運行；牽引調速是根據割煤速率運算后得到合適的采煤機前進速度。采煤工藝的自動控制是根據采集到的工作面地質環境條件信息，對不同的采煤工藝進行重新組合排序，以適應當前礦井的作業環境。

2.3 遠程監控功能

遠程監控具備的功能：其一主要是對采煤機采煤作業運行過程的設備狀況進行監測，并將監測到的信息通過網絡方式實時傳遞到地面的控制平臺來實現對設備狀態的遠程監控。其二就是遠程監控部分可以將采煤機控制系統指令進行傳遞，實現對采煤機運行的遠程控制。

3 電牽引采煤機控制系統總改進方案設計

3.1 控制系統硬件設計

針對采煤機控制過程的實時性特點與可擴展性功能，在對控制系統進行設計時將系統的控制與智能算法運算分成兩個部分，從而提高系統的運行效率以保證系統運行的可靠性和穩定性。因此，該控制系統以雙DSP處理器為基礎，把DSP/BIOS作為實時嵌入式操作系統來完成系統的設計。該系統設計的功能模塊主要有：信息采集模塊、實時傳輸通訊模塊、輸入輸出控制模塊、主控制自動化功能模塊、采煤工藝適應性自動選擇功能模塊和遠程監控模塊。硬件組成結構方案如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

主DSP采用TI公司定點DSPTMS320F2812，是主要控制部分，用來實現的功能主要包括：數字量信息和模擬量模塊輸入輸出數據信息的采集與傳送；遠程監控通過現場CAN總線方式傳遞采煤機運行狀態數據到上位機，同時還能將上位機控制指令傳遞用以控制采煤機運行；輔DSP采用TMS320F28335型浮點DSP主要用來實現算法運算處理，輔DSP能夠高速運算處理采煤機自適應牽引速度、搖臂高度軌跡等控制算法，效率高且兼容性好。主輔DSP之間通過SPI總線方式可實現通信。

3.2 智能控制系統功能設計

以雙DSP為基礎的采煤機智能控制系統功能實現主要從以下幾方面著手進行詳細設計。

DSP將采集采煤機機身動作狀態位置信息進行分析算法處理，獲得采煤機在工作面的位置；并將運算結果傳遞到遠程監控部分。同時主DSP將電機電流、溫度以及煤層建模數據發給輔DSP，進行算法運算處理，再把運算結果傳送返回給主DSP，從而實現對采煤機的控制。系統功能控制原理圖如圖3所示

圖3 系統功能控制原理圖

4 結語

由于以PLC為基礎的采煤機控制系統在數據處理能力、通信等方面無法滿足當前工作面自動化控制需求，因此提出以雙DSP為基礎的采煤機智能控制系統的設計方案。為了滿足采煤機控制過程的實時性特點與可擴展性功能，在對控制系統進行設計時應作將系統的控制模塊與算法運算模塊進行分開設計的考慮，以提高采煤運行的可靠性和穩定性，實現采煤機控制方面的運行狀態信息的實時采集與傳遞、遠控，為采煤機控制系統的進一步研究改進提供參考和指出方向。

[1]周元華.薄煤層電牽引采煤機智能控制關鍵技術研究[D].西安：西安科技大學，2014.

[2]張旭輝，姚闖，劉志明，等.面向自動化工作面的電牽引采煤機控制系統設計[J].工礦自化，2017（4）：1-5.

[3]夏洪波.基于DSP的電牽引采煤機控制系統設計[D].西安：西安科技大學，2015.