電牽引采煤機智能控制系統設計與研究

董 禹

(西山煤電 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

電牽引采煤機作為煤礦井下開采作業的核心設備之一，在綜采生產中主要承擔切割煤層和裝煤的任務。電牽引采煤機內部主要由電氣、機械及液壓系統組成，其中電氣控制系統作為采煤機正常運行的控制樞紐，其系統性能及可靠性是采煤機安全穩定運行的重要保障[1-4]。目前采煤機對于自動截割、自適應牽引、組建物聯網數據庫等智能化功能的需求日益增長，對相應電控系統的數據處理能力及通訊速度等性能的要求也不斷提高，因此開發運算能力強、靈活性及可靠性高的智能采煤機電控系統是十分必要的。

早期的采煤機電控系統采用單片機控制核心，其CPU運算能力差，系統擴展性和兼容性差，已不再適用于智能化電控系統設計方案。目前國內大多數采煤機電控系統采用PLC集成式系統，系統的數據處理能力及擴展性都有一定程度的提高，但當需要實現更為復雜的控制功能時需要添加許多特殊擴展模塊，系統的靈活性仍然較差。針對上述采煤機電控系統存在的問題，本文設計了一套以DSP為控制核心的采煤機智能控制系統，通過對DSP主控芯片的選型及各功能模塊方案設計實現對采煤機牽引部、截割部等關鍵部位的控制、監測、遙控等功能，從而保證采煤機安全穩定運行。

1 采煤機智能控制系統總體方案設計

采煤機電控系統是實現采煤機牽引調速、截割控制、搖臂調節及實時監測功能的基礎，在對其進行設計前首先需明確系統功能需求。

(1) 牽引部分控制功能。牽引部是驅動采煤機移動的動力單元，主要通過主、從變頻器對左、右兩臺牽引電機進行調速控制，電控系統需對主、從變頻器進行控制，從而實現對兩臺牽引電機的調速[5，6]。

(2) 截割部分控制功能。采煤機截割部主要負責煤層截割，由截割滾筒及搖臂組成，電控系統需通過主控模塊控制兩臺截割電機驅動截割滾筒轉動，同時控制電磁閥對搖臂液壓系統進行調節，從而實現搖臂的升降控制。

(3) 遠程控制功能。采煤機控制系統可通過地面上位機對井下采煤機進行實時控制與監測，現場下位機將監測數據實時上傳至上位機，并由上位機向控制模塊發送控制指令，最終由控制模塊根據相應指令完成對采煤機的控制，二者通過總線通訊進行數據交互。

(4) 運行監測功能。控制系統可通過傳感器對截割電機、牽引電機、減速箱、齒輪箱、滾筒及軸承等主要傳動機構的運行參數進行采集并上傳至控制模塊中，由控制模塊對各類采集信號進行分析處理，實現實時檢測及故障預警診斷。

根據上述對系統控制功能的分析，本文采用模塊化思想對整個控制系統進行架構，按照不同功能將系統劃分為DSP主控模塊、觸摸顯示模塊、上位機模塊、ADC輸入模塊、通訊模塊及數字量接口模塊，系統整體結構如圖1所示。

圖1 采煤機智能控制系統總體結構框圖

系統主控模塊選用DSP控制器，用于各類傳感器信號的采集、上傳及分析處理，并執行上位機下達的相關控制指令。通訊模塊主要為各類通訊接口，包括RS232、RS485、CAN總線及DSP控制器自帶的通訊接口等。上位機監控模塊的人機交互界面用于采煤機運行參數的實時顯示及相應控制、報警指令的下達，通過CAN總線與下位機進行通迅。觸摸顯示模塊用于現場運行參數的實時顯示，同時現場工人可在井下通過觸摸屏對系統標定、報警等參數進行設置，通過RS232與DSP控制器實現通迅。數字量接口模塊用于對DSP主控模塊的數字量接口進行擴展，以滿足系統對眾多復雜數字量的控制需求。ADC輸入模塊用于對各傳感器模擬信號進行集中采集。

2 硬件方案設計

采煤機智能控制系統硬件部分主要由DSP主控模塊、數字量接口模塊、ADC輸入模塊及觸摸顯示模塊等部分組成，上述主要功能硬件的設計與選型對整個控制系統的性能及可靠性具有重要影響。

主控模塊選用TMS320F28335型DSP主控芯片，其內部采用高性能靜態CMOS技術，指令處理速度可達6.67 ns，具有8個外部中斷、18路PWM輸出的增強型外設模塊、3個32位定時器及具備16個轉換通道的12位A/D轉換器，最高轉換速度可達80 ns，同時采用了哈佛流水線結構，可實現對中斷的快速響應及處理，其性能完全滿足本系統對端口數量、A/D轉換及運算速度等的功能需求。

選用EMP240T100C5型復雜可編程邏輯器件對主控芯片的數字量接口模塊進行擴展設計，其內部具有80個I/O引腳、4種(1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V)可選I/O電壓及4個全局時鐘，可解決本控制系統數字量復雜且眾多的問題。

控制系統的ADC輸入模塊采用TMS320F28335芯片自帶的16路12位的A/D轉換模塊，其轉換速度可達80 ns，同時支持多通道轉換，通過各類傳感器的采集上傳即可完成對電牽引采煤機關鍵部位的電流、溫度、振動等參數的檢測，從而實現對采煤機運行狀態的實時監測。

本系統的觸摸顯示模塊選用MT8070iH型人機交互界面，屏幕尺寸采用16∶9的7寸65536色LCD寬屏，分辨率可達(800×480)像素，完全滿足顯示需求。同時觸摸屏提供了128 MB內存、1個以太網口、3組異步式串行通訊端口及2個USB接口，保證了數據傳輸的可靠性及靈活性，可實現采煤機運行狀態參數的實時顯示[7,8]。通過內部搭載的EB8000 V2.0.0觸摸屏編程軟件可快速對交互界面的監測、運行、故障及提示窗口進行編輯，通過RS232接口可實現與DSP主控模塊的數據傳輸。

3 軟件方案設計

采煤機智能控制系統軟件部分主要為主控模塊程序，本文采用順序掃描形式對DSP主控程序進行設計，DSP主控模塊主程序流程如圖2所示。系統在完成初始化后由各傳感器將采煤機運行參數采集后經DSP主控模塊上傳至觸摸屏及上位機交互界面進行監測，若采煤機各部位未出現故障情況，則DSP主控程序將對數字量輸入模塊進行掃描，讀取相應控制指令，然后根據指令運行相應控制程序完成對采煤機的控制，并對此程序循環執行。若系統在監測時發現存在故障，則立刻停止運行采煤機并由系統記錄故障信息，當故障解除時即對系統進行復位并繼續執行主程序。

圖2 DSP主控模塊主程序流程圖

采煤機通過主控模塊所收集的電流及轉速信號與設定值對比后進行牽引加速、減速控制，從而實現對采煤機電機速度的自動控制。程序在對截割電機進行自檢后即可進入加減速控制階段，當牽引方向改變后即根據系統設定值對采煤機牽引速度進行加減速控制，最終完成整個采煤流程，若采煤過程未結束則繼續循環執行此程序。采煤機調速程序流程如圖3所示。

圖3 采煤機調速程序流程圖

4 結束語

本文針對傳統電牽引采煤機控制系統存在的問題，采用了運算能力強、硬件資源豐富的DSP主控器及數據傳輸效率及靈活性更高的總線通信技術設計了一套基于DSP的電牽引采煤機智能控制系統，實現了對采煤機截割部及牽引部等關鍵部位的遠程控制及實時監測功能，從而保證了采煤機在井下的智能化運行。