基于DSP 的電牽引采煤機電控系統(tǒng)設計

王 偉

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團申南凹焦煤有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

目前，由于煤礦井下開采環(huán)境極其復雜，空氣中含有較多危險氣體，使得煤層的開采十分困難，對煤礦機械設備的功能需求提出了很高的要求。采煤機作為井下煤層開采的重要機械設備[1-2]，其工作性能對于礦井煤層開采量影響巨大，所以提升采煤機復雜工況的運行效果成為了時下熱門課題。采煤機自動化是未來煤層開采的趨勢，其電控系統(tǒng)需要具備良好的可靠性、擴展性及運算處理能力[3-4]，為了提升采煤機電控系統(tǒng)運行效率，以申南凹礦為研究背景，對采煤機電控系統(tǒng)進行優(yōu)化，提出基于DSP 的采煤機電控系統(tǒng)，為采煤機優(yōu)化研究提供一定的參考與借鑒。

1 采煤機電控系統(tǒng)分析

采煤機是由電氣、液壓、機械等系統(tǒng)組成，其中電氣控制系統(tǒng)是采煤機控制及保護的基礎，本文的研究對象為申南凹礦MG650/1480 型采煤機，采煤機的牽引部由左右兩個牽引部組合而成，在運行過程中避免出現(xiàn)一帶一的情況，將一個變頻器作為主變頻器，主控制器接收到外部的信號后將載荷平均分配至兩個牽引部，從而使得電機負載相同。截割部是由大功率電機組成，通過控制器控制實現(xiàn)液控回路的開關，實現(xiàn)對滾筒的控制。狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)通過對采煤機的運行信號進行收集和監(jiān)測，可以實現(xiàn)采煤機故障及工作狀態(tài)實時監(jiān)測。

根據(jù)對采煤機系統(tǒng)的分析，確定基于DSP 的采煤機電控系統(tǒng)設計方案，設計電控系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 采煤機電控系統(tǒng)示意圖

從圖1 可以看出，基于DSP 的采煤機電控系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)主控模塊為DSP 控制器；數(shù)值量是經過光電隔離后的DSP 及CPLD 輸入、輸出模塊，模塊的接收接口主要是收集控制命令及數(shù)值監(jiān)控信號，模塊輸出接口連接采煤機截割電機、搖臂，接收到數(shù)字量信號后經過中央處理系統(tǒng)對信號進行分離、處理，再經過輸出端實現(xiàn)采煤機截割部自動控制；系統(tǒng)的通信接口分為RS232 總線接口、CAN 總線接口及RS485 接口；顯示模塊通過接口實現(xiàn)觸摸屏與DSP 的信息交換；遠程控制單元通過CAN 總線連接DSP 控制器，實現(xiàn)遠程控制。

電牽引采煤機的遙控采用FYF30 礦用本安型遙控，這是一款專為煤礦開采設計的控制器，F(xiàn)YF30 礦用本安型遙控與輸入接口模塊連接，可以實現(xiàn)對總停、牽停、右牽、左牽、上升、下降、破降、破升的控制。控制器的最大輸入電流為100 mA，電源電壓為12 V，為了保障遙控的安全，串聯(lián)I kΩ 的電阻。

對采煤機主控模塊進行設計，首先選定用于數(shù)字控制的DSP，同時采用TSM320F2812 芯片為主控系統(tǒng)的控制芯片，通過對F2812 芯片進行設計擴展，解決設備接口復雜的問題。電牽引采煤機的接口模塊選定，考慮到采煤機控制系統(tǒng)較為復雜，控制的數(shù)字量很大，所以選定CPLD 來實現(xiàn)DSP 的擴展，CPLD 進行擴展不僅能夠減小接口的體積，同時能夠有效提升接口的抗振性能；顯示模塊選定為GOT1000 顯示器，將電牽引采煤機的控制參數(shù)如溫度、速度、電流等顯示于屏幕中，通過觸屏軟件對觸屏界面內容進行實時編輯，同時設置監(jiān)控界面，實時監(jiān)測設備運行及故障情況；對采煤機運行過程中的電流、溫度、瓦斯?jié)舛鹊冗M行檢測，分別選定不同的傳感器進行數(shù)據(jù)采集；系統(tǒng)的控制模塊選定Quest 3D 遠程操作系統(tǒng)，通過采集卡將數(shù)據(jù)進行采集，同時通過DSP 控制器進行信息處理，從而控制采煤機運行狀態(tài)。

2 電控系統(tǒng)設計

通過對采煤機電控系統(tǒng)硬件進行選定后，對其進行軟件設計，首先對電牽引采煤機的輸入接口的控制按鈕進行功能分配，輸入接口功能分配如表1所示。

表1 輸入接口功能分配

輸出接口共計20 個，分別連接至電磁變頻器及繼電器接口位置，輸出接口的分配情況如表2 所示。

表2 輸出接口功能分配

DSP 控制器利用變頻器對牽引電機進行啟停、加減速、正反轉等進行控制，變頻器采用一拖一模式，兩臺變頻器采取主從控制方式，變頻器的IO 端子定義如表3 所示。

表3 變頻器的IO 端子定義

DSP 控制器通過RS485 與變頻器進行連接，F(xiàn)2812 擁有兩個串行通行接口SCIA 和SCIB，本系統(tǒng)利用MAX3485 芯片設計SCIB 將其作為RS485接口，同時連接兩臺變頻器，接線圖如圖2 所示。

圖2 MAX3485 接線圖

對DSP 程序進行設計，程序采取掃描的方式，通過掃描數(shù)字量輸入模塊，進入各部分控制程序，輸出接口下步工作程序，程序循環(huán)執(zhí)行此過程，主控制器邏輯流程如圖3 所示。

圖3 主控制器循環(huán)流程

當進行監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)采煤機出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會迅速對故障進行判定、報警、記錄。系統(tǒng)故障分為一般故障和致命故障，當發(fā)生一般故障時，在不影響其余部位工作時，采煤機繼續(xù)工作，當檢測出致命故障時，采煤機會立刻停機，待維修人員對故障修理后，系統(tǒng)才能重新啟動運行。采煤機中斷控制主要是對信號進行收發(fā)，其中AD 采集中斷觸發(fā)是一個周期性的過程，中斷包括觸屏通信中斷、遠程控制通信中斷、變頻器通信中斷，一旦CAN 模塊接收到中斷信號后會立刻中斷。

3 結語

煤礦采煤機電控系統(tǒng)的設計是影響采煤機械效率的主要因素，基于DSP 的采煤機電控系統(tǒng)實現(xiàn)了電牽引采煤機的基本控制功能，有效地解決了原有控制系統(tǒng)的復雜性及不靈活性，提升了礦井采煤機的安全性。