煤礦電牽引采煤機自動控制系統設計

付欣睿

（陽泉市燕龕煤炭有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

我國機械自動化水平與控制技術飛速發展，礦井生產過程逐漸由半自動化開采發展為全自動化開采，以機械設備代替人工勞動，以智能控制降低操作失誤，提高企業的生產能力與創新技術[1]。以采煤流程為例，國內礦井經歷了人力、炮采、普采與綜采四個階段，最終向“智采”方向發展。電牽引采煤機憑借可靠性高、維護簡單等優點，逐漸被迅速推廣應用，成為煤炭采掘的主流設備之一[2]。采煤機控制系統是綜采工作面的關鍵系統之一，提高其控制精度、監測能力與數據傳輸速度是綜采自動化與智能化的必然趨勢，因此本文將針對電牽引雙滾筒采煤機自動控制系統展開分析。

1 控制系統總體設計

1.1 采煤機組成

雙滾筒采煤機包括驅動電機、牽引部、截割部與其他附屬裝置組成。電動機通常為水冷，通過輸出軸與減速器齒輪傳動，分別驅動截割滾筒與牽引裝置[3]。

牽引部為采煤機的行走機構，負責移動、機器與清理落煤的工作，雙滾筒電牽引采煤機的牽引部分為左右兩部分，包括牽引機構及電傳動部分，電牽引采煤機采用獨立電機驅動牽引部，配有兩個齒輪傳動箱，電機經二級齒輪減速器傳動后，由行星架輸出到驅動滾輪，滾輪與行走輪嚙合，實現采煤機沿工作面的前后移動。

截割部包括減速箱、截割滾筒、搖臂、調高系統等組成。電機與減速器連接，降速增矩后傳遞給截割滾筒，對煤壁進行切割，利用螺旋葉片與擋泥板將煤炭送入刮板輸送機。截割部工作過程中受到的沖擊大，負載不均勻，所以截割部的機械設備需要較高的硬度與強度，電氣控制系統需要較強的抗干擾性與穩定性[4]。

1.2 系統功能

采煤機控制系統主要實現的是對牽引部與截割部的自動控制和各項數據采集與傳輸功能，具體如下：

1）數據采集功能：對采煤機的牽引狀態、截割負載、姿態、位置與環境中的瓦斯濃度信號進行采集，通過模數轉換模塊與RS485 串口進行傳輸。

2）牽引部自動控制功能：根據傳感器數據，控制制動器，在停車時制動采煤機，正常工作時松閘；向變頻器發出左、右前進信號，控制采煤機相應動作，完成牽引部的自動調速功能。

3）截割部自動控制功能：根據傳感器數據，執行控制算法，預測搖臂軌跡，分別獨立控制各滾筒電機的啟停信號；搖臂升降，通過控制電磁閥的開啟與關閉，實現搖臂高度與位置自動調整。

4）遠程監控功能：將采煤機的運行工況通過總線傳輸到上位機，技術人員通過監控機實現采煤機的遠程調控。

1.3 系統總體方案設計

采煤機自動控制系統采用DSP 控制器，完成系統的控制決策、通訊協議、數字量與模擬信號的采集、控制算法處理等功能。采煤機運行過程中所需監測的參數包括采煤機所在位置、姿態、各驅動電機的電流、電壓等信號、液壓系統的油液壓力與液位等參數。電機參數、采煤機姿態與位置為數字量信號，通過RS485 串口通信傳輸到DSP 處理器中，液壓系統參數與瓦斯濃度為模擬量參數，經過模數轉換后傳輸到處理器，通過處理分析，將參數寫入采煤機的控制模型，實現采煤機速度與調高的自適應控制。控制器通過通訊協議將監測參數傳輸到巷道監控機，技術人員可直接向控制器發出控制指令，實現遠程調控功能。控制器配有監控屏，與處理器通過RS232串口連接。系統的整體方案如圖1 所示。

圖1 系統總體控制方案

2 系統自動控制技術分析

2.1 采煤機牽引部自動控制技術

采煤機在自動調速過程中，牽引速度與采煤機的截割負載、截割深度、滾筒轉速等密切相關，其中最主要的影響因素為截割負載。本文采用截割電流預測控制方法，通過測量截割電流預測采煤機的截割負載，進而對牽引速度進行預測控制。建立截割電流、轉速和載荷的物理模型，探究電機電流、滾筒轉速與截割負載之間的關系，獲取數據集。建立三層BP 神經網絡，利用小波變換對截割電機的電流信號與轉速信號進行處理，將兩個信號的有效值作為BP神經網絡輸入，輸出為采煤機截割負載，系統設定負載閾值，當預測負載大于設定閾值時，降低牽引速度；反之，增大牽引速度。

2.2 采煤機截割部自動控制技術

截割部自動調高控制采用紅外探測法，以地質數據建模，根據巖石與煤層物理特性的不同，確定切割時產生的溫度閾值。利用高精度紅外溫度探測儀，測量滾筒截齒附近的溫度，從而判斷截割部位是否到達邊界。紅外探測儀具有較強的穿透力，不受粉塵與水霧的影響，可取代人工目視，準確定位。

3 控制系統硬件設計

3.1 硬件整體方案選型設計

系統的硬件整體結構如圖2 所示。控制系統采用DSP 處理器，利用DSP 的高速處理能力、高集成性與可編程性，完成系統的數據模型移植、控制決策、信號采集、數據通信等功能。根據系統功能與應用環境，選擇的DSP 芯片具體型號TMS320F2812，芯片采用靜態CMOS 技術，電源供電電壓3.3 V，工作溫度-40～＋80℃，內核頻率150 MHz，片內RAM存儲器36 kB。

圖2 硬件整體結構設計

系統存儲模塊負責采煤機運行參數與控制參數的存儲記憶，方便對歷史數據的查詢與記錄。本系統選擇SD 卡作為數據存儲工具，SD 卡具有容量大、安全性高與讀寫速度快的優點，可在SD 與SPI 兩種模式下工作，與DSP 內部集成的SPI 模塊相契合。

3.2 通信接口設計

系統采集電機參數、采煤機位置、采煤機姿態、變頻器參數等數字信號時，均通過RS485 接口進行通信。RS485 傳輸距離遠，可達1 200 m 左右，抗干擾能力強，傳輸速率可達10 Mbps，符合礦井采掘工作面的功能需求。系統的RS485 接口電路如圖3 所示，MAX485 芯片的RO 引腳接DSP 內置串口SCIB模塊的SCIRXDB 引腳，/RE 與DE 引腳接GPIOB 引腳，輸入高低電平控制輸入信號的輸入輸出。A 和B引腳接采煤機數字信號傳感器的通信接口。

圖3 RS485 接口電路設計

4 結論

1）系統采用神經網絡結構對采煤機的牽引速度進行預測控制，利用巖石物理特性與紅外探測技術，替代人工目視，判斷截割位置，實現自動調高控制。

2）對系統硬件的核心處理器與存儲單元進行選型，設計了系統的串口通信接口電路，提高了系統對采煤機的自動化控制程度，降低了人工成本與操作失誤概率，提高了系統信號傳輸的抗干擾性。