馬蘭礦智能化綜采工作面電牽引采煤機電控系統優化設計

張文平

摘 要：本文以馬蘭礦18509綜采工作面為研究背景，對面向智能化工作面的電牽引采煤機控制系統的硬件以及控制系統進行了優化設計，同時對采煤機控制系統實驗驗證，發現在智能化控制時，能實時根據煤層建模數據預測出下一刀的采煤機搖臂的調高軌跡，并通過搖臂的截割軌跡和設置的采煤工藝實現采煤機的自動截割控制。

關鍵詞：智能化工作面;采煤機;截割軌跡;自動截割控制

煤礦領域為響應國家“機械化換人、智能化減人”的戰略，掀起了新一輪煤礦井下工作面智能化開采的技術革命。為此，諸多學者開展過研究，張旭輝[1]針對現有采煤機控制系統在數據實時采集處理、遠程監控及智能控制算法集成等方面難以滿足工作面智能化控制需求的現狀，設計了一種面向智能化工作面的電牽引采煤機控制系統，實現了采煤機自動截割控制、采煤工藝變化及遠程監控等功能。索智文[2]通過分析綜采工作面智能化發展現狀，對采煤機記憶割煤、支架跟機智能化、煤巖識別等技術的應用情況及存在問題進行了分析，并提出了綜采工作面高速傳輸無線網絡建設、標準化數據傳輸、采煤機模糊判斷和自適應割煤、支架高級跟機智能化、工作面實景成像、工作面自動校直等技術的實現途徑。本文在已有研究的基礎上，對面向智能化工作面的電牽引采煤機控制系統進行了優化設計和試驗驗證，為智能化工作面的實現提供了參考。

1 智能化綜采工作面采煤機控制系統設計

當前，智能化綜采工作面中采煤機搖臂調高系統和牽引機的牽引速度是實現智能化的關鍵，為此，本文將通過采煤機的控制、監測等系統分析采煤機電控性能，構建智能化工作面的電牽引采煤機控制系統的整體設計方案。

本文對采煤機的控制系統和智能計算系統分別進行了計算，以實時實現采煤機各控制系統的擴展性，提高程序運行的穩定性和安全性。采煤機系統硬件框架圖如圖1所示，系統中，采用雙DSP處理器為架構，通過DSP/BIOS操作系統實時進行采煤機的監測和控制，滿足主機以及目標系統通信的功能，同時實現采煤機的任務調度。在該系統中，主DSP主要實現監測控制系統數據的輸出輸入功能，同時完成控制決策以及數字量的采集、輸入、輸出和通信系統的通信功能;通過總線將采煤機運行過程的工況行為傳遞給上機位，隨后發出命令通知控制采煤機的運行;系統的計算中，使用F28335單元浮點運算法，編寫采煤機牽引速度、截割高度的算法，算法彌補了常規小數處理耗費時間多且較多的人力投入，提高了效率的同時實現了與控制器的兼容問題，壓縮軟件的開發時間并提升整體性能。

2 采煤機電控系統工作原理

采煤機的電控系統主要采用雙DSP 2812，其工作原理是采用雙DSP對采煤機運行過程中的物理參數以及運行參數進行監測分析處理，采煤機的位置、工作過程中實時的電流電壓、液壓系統的壓力、溫度等參數數據經過監測，數據處理輸出后可以判斷采煤機的行走以及截割等動作，同時，設備之間的數據以及通信功能都由主DSP完成。監測得到的數據由TMS320F2812采集并及進行計算處理，根據計算的結果得到采煤機所在的位置、機身與水平面的夾角，以及搖臂的高度狀態，計算得到的數據傳送至順槽遠程監控平臺，由顯示系統顯示采煤機的監測數據結果，工人可根據監測結果以及實踐經驗預測采煤機的工作狀態并進行相關的動作。同時，主DSP將采煤機運行過程中電壓電流、溫度以及煤層信息發給輔助 DSPTMS320F28335，從而進行基于電流的采煤機負載運行、速度控制、搖臂高度以及電機的故障預測等功能，結合相關的算法，將處理結果發送至主DSP TMS320F2812，完成對采煤機的監測控制功能。值得注意的是，采煤機的監控需保證實時監測性，才能保證采煤機的正常運行。

3 采煤機電控系統的可靠性驗證

馬蘭礦為檢驗采煤機電控系統的可靠性，對采煤機進行了試驗，采煤機控制試驗平臺主要由DSP控制器、GOT觸摸屏和遙控接收器等組成。DSP控制器控制器主要包括主DSP TMS320F2812和輔DSP TMS320F28335，除此之外，輸入接口、輸出接口、數據傳送接口以及相關的擴展電路都屬于控制器系統;GOT觸摸屏，主要作用是實現數據的顯示功能，通過RS323串口連接顯示;FYS30遙控接收器，必須采用安全的防爆裝置。采煤機試驗模型使用兩臺功率相同的變頻器控制采煤機的行走，液壓系統則負責控制采集機搖臂的行走，模型本身的控制器為PLC，試驗中，將PLC段的輸出口與DSP的輸入端相連，機身的位移以及角度采用安裝在機身的光電編碼器進行監測，機身運行過程中溫度、電流以及機身傾角等數據，數據經過傳感器獲得。

在試驗平臺進行測試，得到采煤機自動調速測試結果，結果如圖2所示，從輸入電流和變頻器頻率隨時間的變化曲線中可以看出，黑色曲線即模擬輸入電流曲線為參考曲線，DSP控制程序將周期函數模擬的信號傳遞給調速控制程序，圖中兩條虛線分別為電流上閾值和電流下閾值。綠色曲線則為變頻器的頻率變化曲線，可以得到，當模擬輸入電流高于電流上閾值時，采煤機的牽引速度自動降低，當模擬輸入電流低于電流下閾值時，采煤機的牽引速度自動提高，當輸入電流值介于上下閾值時，采煤機按照正常速度運行，從圖中可以看出，輸入電流在80-120s以及140-160s時，因為輸入電流增加，變頻器出現兩次降速處理，輸入電流在40-60s以及130-150s時，因為輸入電流減少，變頻器出現兩次提速處理，可以看出，變頻器對于采煤機的調速極其敏感，能起到很好的調速功能。

自動調高控制測試實驗中，以實際煤層數據為標準，采用一比一縮小的方式，橫坐標點數取30個更準確的表示搖臂的運行軌跡，得到圖3所示的采煤機搖臂高度與采煤機位置的關系圖，圖中黑色曲線代表煤層建模高速，紅色曲線表示搖臂預測軌跡。從圖中可以看出，搖臂的軌跡基本與煤層建模高度相符，在設備運行開始以及結束時，即采煤機當前位置為2.4m和4m時，預測軌跡和煤層建模高度有高度差，最大差為0.07cm，基本不影響生產的進行，在整個運行軌跡中，基本實現了與煤層建模高度的吻合，能夠實現工作面采煤機的智能化控制。

4 結論

本文通過針對面向智能化工作面的電牽引采煤機控制系統，對采煤機的硬件以及控制系統進行了方案設計，得到了系統控制的總體方案，在方案的基礎上進行了試驗驗證，得到采煤機自動控制時，變頻器頻率能及時實現對采煤機牽引速度的控制，并通過對煤層建模高度和搖臂的軌跡預測實現了采煤機的自動截割控制。

參考文獻：

[1]張旭輝，姚闖，劉志明，趙友軍.面向智能化工作面的電牽引采煤機控制系統設計[J].工礦智能化，2017（04）：1-5.

[2]索智文.煤礦綜采工作面無人化開采技術研究[J].工礦智能化，2017（1）：22-26.