煤礦電牽引采煤機自動控制系統設計探討

張衛花

（太原煤炭氣化（集團）有限責任公司爐峪口煤礦， 山西 太原 033000）

引言

現階段，在煤礦開采活動中電牽引采煤機屬于關鍵機電設備，在電氣控制技術持續發展及機械化程度持續提高過程中，煤礦開采企業開始積極引進高自動化、大功率電牽引采煤機。電控系統屬于采煤機運行重要內容，傳統電控系統通常選擇PLC 控制器開展設計工作，具有采煤機破碎、牽引、截割等功能。然而因為PLC 控制器電控系統的通信速度無法滿足工作要求，因此對于大量數據無法進行有效的實時處理。無法進一步進行智能控制開發，缺乏良好植入性，進而造成電控系統功能單一，缺乏良好自動化水平，無法保證采煤自動化需求得到有效滿足[1]。

1 煤礦電牽引采煤機自動控制系統的總體方案設計

1.1 系統功能

電牽引采煤機的自動控制系統通常是針對截割部對牽引部展開自動控制、數據采集及傳輸等，主要功能如下：

首先，數據采集。該系統主要采集生產環境瓦斯濃度，采煤機牽引狀態、位置、姿態及截割負載等，同時借助RS485 串口和數據轉換單元實現傳出。

其次，牽引自動控制。結合傳感器數據控制制動器，停車過程中實現采煤機制動，在日常運行中松閘。將左右前進信號等發送給變頻器，對采煤機相關動作展開控制，進而實現牽引的自動調速。

再次，截割的系統控制。結合傳感器信息，對控制算法進行執行，對搖臂軌跡進行預測，對相關電機啟停信號進行獨立控制。搖臂升降，借助對電磁閥開啟及關閉進行控制，實現搖臂位置及高度等方面的自動調整。

最后，遠程監控。借助總線向上位機傳輸采煤機工況信息，技術人員借助監控設備等對采煤機進行遠程監控[2]。

1.2 自動控制系統的總體設計

選擇DSP 控制器進行優化設計，總體架構如圖1 所示。

圖1 電牽引采煤機電控系統優化設計方案

在本電控系統中，電控系統主要由傳感器檢測模塊、按鍵輸入單元、主控模塊、遠程監控模塊、聲光報警、變頻器及液晶顯示屏等模塊構成。核心部分為主控模塊，因為選擇DSP 控制器，所以涵蓋主控制器與輔控制器兩部分內容。DSP 主控器主要控制傳感器對采煤機工況進行檢測，展開在線處理及優化等工作，進而實現相關控制功能。對于DSP 輔控制器，屬于主控器后臺運算系統，通過DSP 高速運算及處理功能，能夠執行復雜智能控制模型及控制算法等，進而獲得最優調高數據和截割數據，之后向DSP 主控器傳輸展開相關控制，借助DSP 雙控制器，充分強化采煤機適應能力。檢測模塊傳感器的類型，主要涵蓋瓦斯濃度、溫度傳感器及電流互感器。電流檢測涵蓋破碎電機、截割電機及牽引電機等；溫度檢測涵蓋電控箱、破碎電機、截割電機及牽引電機等。調速模塊主要由一臺主變頻器與一臺從變頻器構成，對左右牽引電動機進行牽引，有效提高采煤機掘進效果。遠程監控系統主要開展在線監測及采煤機工況管理等工作，借助監測數據對電控系統的故障隱患及時進行診斷。

2 煤礦電牽引采煤機自動控制系統的設計

2.1 硬件部分的優化設計

1）雙DSP 控制器的型號選擇。基于DSP 研發的DSP 芯片能夠充分提高數據運算能力，對于相關復雜智能算法均具有良好適用性，外設資源豐富，穩定性與可靠性突出。所以，可以對電控系統與DSP 進行結合，選擇雙控制器。DSP 主控器及輔助器均選擇TMS320F2812 型號，兩者兼以高速SPI 總線傳輸數據。主控器主要是接受檢測模塊中采集的環境數據及采煤機工況數據，同時開展數據處理工作，獲得具體數據。另外，借助RS232 并通過液晶顯示屏展示具體信息，借助CAN 總線方式向遠程控制系統傳輸數據，為工作人員提供準確的決策依據。另外，主控器會向輔控器發送溫度及電流等工況信息，此類數據為智能控制模型與控制算法基礎數據，結合基礎數據，輔控制器能夠有效執行智能模型預算法，之后向主控器發送控制指令，通過主控器開展采煤機的組合工藝、自動調節及其他操作。智能模型主要涵蓋牽引速度自適應控制模型、采煤機截割負載預測等。

2）主變頻器與從變頻器調速模塊設計。該模塊主要是對牽引電動機進行控制拖動，促使電牽引采煤機穩定掘進行駛。該電控系統的變頻器調速模塊主要選擇ASC800 變頻器，同時選擇DTC 控制方式，具有良好的轉矩響應速度，沒有高頻噪聲，主要通過DSP 主控器進行控制。

變頻器選擇“一拖一”控制策略，借助光纖連接技術實現通信。在該系統中，主變頻器選擇左牽引變頻器，并借助RS485 通信技術和DSP 主控器實現通信，選擇Modbus-RTU 通信協議。從變頻器主要對主變頻器信息進行接收，并通過主變頻器展開控制。借助DSP 主控器對主變頻器進行控制，能夠控制牽引機啟停、轉速調節及正反轉等操作，進而實現采煤機的牽引啟停、牽引調速及左右牽引等[3]。

3）CAN 總線通信電路。該電控系統的主控模塊和遠程監控系統借助CAN 總線方式實現數據傳輸。主控模塊主要借助DSP 主控器進行通信，TMS320F2812 主控器能夠支持CAN 通信，內部設置eCAN 模塊，能夠支持CAN2.0B 通信協議。對于CAN總線網絡，對于信號接口選擇CANL 與CANH 形式，另外信號通過差分電壓方式進行上下傳輸。然而因為CAN 總線和eCAN 模塊電平之間電平特性具有差異性，所以進行電平轉換電路設計，電路選擇SN65HVD230 芯片。CAN 通信電平轉換電路，如圖2所示。

圖2 CAN 通信電平轉換電路

VCC 端電壓是3.3 V，CANL、CANH 和遠程監控系統CAN 總線接口直接連接；CANRXA、CANTXA端連接于DSP 主控器eCAN 單元。

4）傳感器檢測模塊設計。對于傳感器檢測模塊，主要涵蓋瓦斯濃度及溫度傳感器等。其中，電流互感器選擇LF305-S 型號，電流檢測內容涵蓋破碎電機及截割電機等；溫度傳感器選擇Pt100 型號，主要對電控箱及牽引電機等部件運行溫度進行監測；瓦斯傳感器選擇KG9001C 型號，對采煤機工作環境中的瓦斯濃度進行監測。

2.2 下位機程序設計

對于下位機程序設計而言，主要涵蓋DSP 主控制器與DSP 輔控制器。該系統主要選擇模塊化編程思想，借助C 語言開發程序，一些程序選擇匯編語言實現補充。開發軟件選擇TI 公司的XDS100 仿真器與CCS 編程軟件，CCS 軟件選擇CCS3.3 版本。該程序主要涵蓋主程序及相關子程序，其中子程序主要涵蓋聲光報警、CAN 通信、左右牽引、左右截煤、液壓升降、冷卻噴霧及DSP 輔控制器等子程序[4]。

3 結語

當前，PLC 主控制器采煤機自動控制系統并不能夠保證礦井采煤需求得到有效滿足，所以應該積極通過DSP 控制器及其他前沿方式對采煤機控制系統進行優化設計。通過DSP 主控制器對采煤機工況進行采集，并控制操作，借助DSP 輔控制器對智能控制模型及控制算法展開高速運算，同時向主控制器輸送結果。通過應用實踐發現，選擇雙DSP 主控制器設計電牽引采煤機自動控制系統，可以對采煤機工況信息進行快速運算，進而對采煤機進行遠程監控及自動截割，有效提高截煤效果與質量，為采煤機的自動化控制提供良好研究思路。