自動(dòng)化控制技術(shù)在電牽引采煤機(jī)中的應(yīng)用

張志軍

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦，山西 太原 030022）

引言

電牽引采煤機(jī)是礦井工作面至關(guān)重要的一種采煤設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的采煤機(jī)控制系統(tǒng)普遍采用PLC控制器為核心處理器，此類(lèi)控制系統(tǒng)在進(jìn)行狀態(tài)信息檢測(cè)和數(shù)據(jù)通信時(shí)需增設(shè)專(zhuān)門(mén)模塊，而且控制器數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力差，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法和模型，智能化程度低，已無(wú)法滿足當(dāng)前礦井自動(dòng)化工作面的需求[1-2]。為此，本文采用雙DSP控制器替代原有的PLC控制器，設(shè)計(jì)了一種全新的電牽引采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將雙DSP控制器分為一主一輔，主控制器可負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集采煤機(jī)及其相關(guān)設(shè)備的所有狀態(tài)參數(shù)，并將其發(fā)送到輔控制器和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)具備控制功能；輔控制器可基于接收到的狀態(tài)信息快速運(yùn)算智能算法和智能模型，得到?jīng)Q策結(jié)果，同時(shí)反饋給主控制器。通過(guò)主、輔控制器的相互配合，大大提高了采煤機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化程度。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1所示為電牽引采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的總體方案。整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、雙DSP控制器、模擬量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、主從變頻器、觸摸屏、聲光報(bào)警裝置、液晶顯示裝置等組成。其中，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示采煤機(jī)及其相關(guān)設(shè)備的各類(lèi)狀態(tài)參數(shù)，并具備報(bào)警、打印、遠(yuǎn)程控制等功能；雙DSP控制器分為主控制器和輔控制器，主控制器負(fù)責(zé)采集采煤機(jī)系統(tǒng)的各類(lèi)狀態(tài)信息并上傳給上位機(jī)，同時(shí)完成通信及控制功能，輔控制器負(fù)責(zé)進(jìn)行智能算法、數(shù)據(jù)模型的運(yùn)算處理，為主控制器實(shí)現(xiàn)控制提供決策支持；模擬量輸入模塊負(fù)責(zé)采集模擬量信息；開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)字量輸入輸出信號(hào)；變頻器負(fù)責(zé)通過(guò)電牽引實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)的啟停、左右牽引和牽引加減速，受主DSP控制器控制；觸摸屏通過(guò)RS232通信電路與主DSP控制器連接，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)人工操控采煤機(jī)。

圖1 電牽引采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)總體方案框圖

2 硬件方案設(shè)計(jì)與選型

2.1 DSP控制器分析與選型

系統(tǒng)采用了雙DSP控制器，不僅可以提高功能擴(kuò)展性和處理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，而且主控制器用于行數(shù)據(jù)采集和功能控制，輔控制器用于算法處理及結(jié)果反饋，保障了程序執(zhí)行的效率。

其中，主DSP控制器選用TI公司TMS320F2812型DSP，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、功能控制、通信協(xié)議處理等功能。數(shù)據(jù)采集包括模擬量和數(shù)字量?jī)刹糠?，模擬量包括采煤機(jī)的工作位置、傾角、電機(jī)電流、電壓、溫度、壓力等工況參數(shù)；數(shù)字量包括漏電信號(hào)、電機(jī)啟停信號(hào)、超溫信號(hào)、超壓信號(hào)、繼電器開(kāi)關(guān)信號(hào)等。輔DSP控制器采用了TMS320F28335型浮點(diǎn)DSP，主要負(fù)責(zé)完成采煤機(jī)相關(guān)智能算法及智能模型的運(yùn)行處理，可快速運(yùn)算而無(wú)須耗費(fèi)過(guò)多的時(shí)間處理小數(shù)操作，效率極高。主、輔DSP控制器之間采用SPI總線進(jìn)行通信[3]。

2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型

變頻器調(diào)速系統(tǒng)是采煤機(jī)重要的動(dòng)力支持。采煤機(jī)需要通過(guò)牽引電機(jī)牽引其牽引部進(jìn)行截割行走，此項(xiàng)功能由變頻器完成。本文選用ABB公司生產(chǎn)的ASC800型變頻器，利用其直接轉(zhuǎn)矩控制（DCT）式來(lái)對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行控制。該控制方式轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、噪聲小，極大地降低了變頻器的功耗。采煤機(jī)牽引部有兩臺(tái)電機(jī)，本文采用兩臺(tái)變頻器，通過(guò)主從控制宏將變頻器定義為主變頻器和從控制器，主變頻器受主DSP控制器控制，由其給出速度給定，主變頻器與從變頻器之間通過(guò)光纖通信方式進(jìn)行指令控制和數(shù)據(jù)源傳輸[4]。系統(tǒng)采用兩種方式對(duì)主變頻器進(jìn)行操作控制，一是利用數(shù)字量開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)控制變頻器的啟停、加減速和正反轉(zhuǎn)等功能，同時(shí)獲取變頻器的故障信號(hào)；二是采用現(xiàn)場(chǎng)總線的通信方式獲得變頻調(diào)速系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)[5]。

2.3 DSP與變頻器RS485通信電路設(shè)計(jì)

主DSP控制器與變頻器之間通過(guò)RS485通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主控制器為T(mén)MS320F2812型DSP，它具有兩個(gè)串行通信接口，分別為SCIA與SCIB。由于變頻器采用一拖一的控制方式，故只需設(shè)計(jì)一個(gè)RS485接口即可，將其與主變頻器連接。利用MAX3485芯片將SCIB接口改造為RS485接口，具體的設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示。

圖2 主DSP與變頻器之間RS485通信電路設(shè)計(jì)

2.4 CAN總線遠(yuǎn)程通信電路設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與主DSP控制器之間通過(guò)CAN總線通信電路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主DSP控制器將采集到的采煤機(jī)工況參數(shù)自下而上上傳給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)對(duì)工況參數(shù)的判斷遠(yuǎn)程下發(fā)控制指令到主DSP控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的控制。主DSP控制器TMS320F2812內(nèi)置一個(gè)eCAN控制器，同時(shí)具備完整的CAN2.0B協(xié)議。本文在eCAN模塊和CAN總線之間采用芯片SN65HVP230增設(shè)了一個(gè)CAN的電平匹配電路，設(shè)計(jì)的電路圖如圖3所示。這樣可以讓eCAN模塊的電平符合高速CAN總線電平特性。

圖3 遠(yuǎn)程CAN總線通信電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心處理器是DSP，針對(duì)DSP控制器，采用軟件和硬件兩種開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。軟件上利用TI公司配套開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Code Composer Studio（CCS）。該軟件包含了代碼生成工具、軟件模擬器、實(shí)時(shí)基礎(chǔ)軟件及實(shí)時(shí)分析與數(shù)據(jù)可視化軟件，對(duì)開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)和調(diào)試十分友好。硬件上采用了仿真器及系統(tǒng)試驗(yàn)板，開(kāi)發(fā)時(shí)將仿真器連接于計(jì)算機(jī)和DSP控制器之間。

開(kāi)發(fā)過(guò)程中CCS程序使用了模塊化的設(shè)計(jì)理念，分為主程序和各中斷功能子程序，當(dāng)執(zhí)行一項(xiàng)功能時(shí)，由主程序通過(guò)中斷服務(wù)子程序的方式統(tǒng)一調(diào)用功能子程序。設(shè)計(jì)的子程序包括聲光報(bào)警、液晶顯示、模擬量采集、數(shù)字量輸出、數(shù)字量輸入、CAN總線通信、截割軌跡預(yù)測(cè)、截割負(fù)載預(yù)測(cè)、設(shè)備故障等。圖4所示為控制系統(tǒng)主程序流程框圖。

圖4 主程序流程框圖

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的采煤機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前礦井開(kāi)采的需求。本文以雙DSP控制器為核心，借助傳感器檢測(cè)技術(shù)、CAN總線通信技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、RS485通信技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套智能型采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)DSP控制器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，主控制器可快速處理海量的監(jiān)測(cè)信息，輔控制器可高速進(jìn)行智能算法、智能模型的執(zhí)行，在雙DSP控制器的支持下，進(jìn)一步提高了采煤機(jī)控制系統(tǒng)的智能化程度，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。