電牽引采煤機遠程控制及狀態監測系統設計與研究

王俊鑫

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

電牽引采煤機是井下煤炭開采的重要設備，其高效穩定運行對于煤礦開采效率及安全性至關重要。而負責采煤機控制部分的電控系統，其主要任務是對采煤機牽引電機、截割電機、搖臂等重要部位進行基本控制及實時監測，其可靠性及運行效率是保證采煤機安全高效運行的關鍵因素。

目前，國內煤礦采煤機電氣控制系統一般以PLC 為控制核心的集成式系統為主，與傳統單片機為主控芯片的控制系統相比，PLC 的運算能力及可擴展性都有所提高，但當搭載更為復雜的控制算法及執行更高級的邏輯控制時需要增加各類相應的擴展模塊，系統的靈活性仍有待提高。在運行監測方面，國內許多監控系統的數據交互性較差、系統功能單一，可監測參數數量有限，無法實現對采煤機運行狀態的全面監測。針對上述存在的問題，本文結合傳感器技術設計了一套基于CAN 總線通信架構、DSP為主控芯片的采煤機遠程控制及狀態監測系統，可實現對采煤機重要機械及液壓機構的遠程控制及運行狀態的實時監測與故障預警診斷，具有控制精度高、通信性能良好、監測參數全面等優點。

1 系統總體方案設計

采煤機控制監測系統的主要任務是完成對采煤機牽引部加減速及啟停控制、截割部啟停控制及搖臂升降控制等基本控制操作及運行狀態實時監測功能，本文將從系統功能分析、軟硬件方案設計等方面對采煤機監控系統進行架構[1-3]。監控系統功能分析如下：

1）系統可通過上位機及DSP 主控器對左右兩臺牽引電機發出啟動/停止、加速/減速、正轉/反轉等控制指令，從而實現對采煤機的移動控制。

2）系統可通過DSP 主控器的數字量接口對兩臺截割電機及截割滾筒進行啟停控制，同時通過DSP的輸出指令控制比例電磁閥對搖臂液壓系統進行調控，從而實現采煤機搖臂的升降調節。

3）采煤機控制系統可通過地面監控中心對井下采煤機發出遠程控制指令。系統可通過通信網絡將井下監測數據實時上傳至地面上位機，其中上位機與DSP 主控器的通信通過CAN 總線接口實現，DSP主控器與變頻器的通信通過RS485 通信接口實現。

4）該系統可通過各類傳感器對采煤機截割部及牽引部的重要機電及液壓設備進行運行參數實時采集，并上傳至DSP 主控器及上位機，由上位機對各類采集信號進行分析處理，實現采煤機運行狀態實時監測及故障預警診斷。

按照以上系統控制及監測需求，本文采用模塊化架構將整個系統劃分為不同功能模塊，具體可劃分為DSP 主控模塊、上位機監控模塊、通信模塊、數據采集模塊及數字接口擴展模塊，系統整體結構如圖1 所示。

圖1 采煤機監控系統總體結構圖

由圖1 可知，DSP 主控模塊為該系統的控制核心，在對現場各傳感器信號實現采集上傳的同時通過執行上位機所下達的指令控制變頻器動作，從而實現牽引電機和截割電機啟停、調速及搖臂的升降控制功能。由于控制量及監測點數量較多，DSP 主控芯片內部的通用I/O 接口數量無法滿足系統需求，系統通過對數字接口擴展模塊的設計增加了系統的可用I/O 接口，從而實現遙控器遠程控制、瓦斯、煙霧及水流量監測等功能，通過擴展模塊的輸出接口還可直接對截割部電機及搖臂進行控制，使系統功能得到完善。數據采集模塊主要包括牽引部及截割部監測點的各類傳感器，通過DSP 的模擬量輸入接口將采集參數實時傳輸至DSP 主控模塊。通訊模塊包括RS485、CAN 總線通信接口及DSP 主控芯片內部集成的通信接口，用于整個系統的數據傳輸。上位機監控模塊主要包括位于地面監控中心的監控計算機、打印機、服務器等，可實現采煤機運行參數的顯示、分析處理及保存打印等功能，并通過CAN 總線通信向DSP 控制器下達控制指令。

2 硬件方案設計

本系統硬件部分主要由DSP 主控器、各類傳感器及數字接口擴展板等部分組成，為保證系統的監控性能及可靠性，需對上述主要功能硬件進行合理的設計與選型。

本系統選用TMS320F2812 型通用DSP 控制器作為下位機主控模塊，其內部具備56 個可編程GPIO 通用引腳、16 路12 位ADC 模塊、8 個外部中斷、18 路PWM 輸出的增強型外設接口及3 個32 位定時器，可滿足本系統對各類監測及控制量的傳輸需求。同時芯片采用了改良哈弗總線結構及高性能靜態CMOS 技術，指令處理速度可達ns 級，可實現對各類中斷的快速響應及處理，其數據處理速度、精度及擴展性可完全滿足本系統需求。

針對DSP 主控芯片數字量接口不足的問題，本文選用XC9536XL-10VQG64C 型CPLD 對DSP 主控器的數字量接口進行擴展。 XC9536XL-10VQG64C 內部輸入/輸出端口數量為36 個，傳播延遲最大值為10 ns，最大工作頻率178 Hz，工作電壓及電流分別為3.3 V、10 mA，其豐富的I/O 接口數量可滿足本系統主控芯片數字量接口的擴展需求。

針對采煤機主要傳動機構內部減速箱齒輪及軸承的振動量及油池油溫的監測，本文選用VB31 型礦用溫振一體傳感器進行振動及溫度量采集，該傳感器采用溫振一體化設計，振動量程范圍為0.01～199.99mm/s，軸加速度峰值量程為0.01～156.8m/s2，具備4K 高速采集頻率，溫度采集采用PT100 鉑熱電阻，溫度測量量程為-20～85℃，信號輸出為標準4～20 mA 電流信號。

針對采煤機滾筒轉速的測量，本文選用GSH900型礦用轉速傳感器對進行轉速采集，其工作電壓為DC 12～24 V，有效測距量程為0～20 m，測量靈敏度可達80%，測量精度可達1%，可滿足本系統對滾筒轉速及截割頭行程方向的檢測。

3 軟件方案設計

采煤機控制系統軟件部分主要包括DSP 主控程序及運行狀態監測程序兩部分。DSP 主控程序采用順序掃描模式運行，程序啟動后首先進行初始化及自檢流程，當采煤機未發現故障時，主程序對數字接口擴展模塊的輸入端及ADC 接口進行順序掃描，并通過監控上位機的人機交互界面對各運行數據進行實時顯示，并通過對數據的分析計算發出相應控制指令，最終由DSP 主控器執行相應控制程序完成對采煤機的控制、報警等操作，DSP 主控模塊主程序流程如圖2 所示。

圖2 DSP 主程序流程圖

運行監測程序初始化后首先對監測對象進行選擇，由傳感器對該監測量進行采集、上傳后由上位機檢測人系統對數據進行分析處理，若監測量超過閾值則立刻停機報警，若運行正常則繼續選擇其他運行參數進行監測，最終由系統生成記錄報表，運行監測程序流程圖如下頁圖3 所示。

圖3 監測系統主程序流程圖

4 系統運行測試

4.1 系統遠程控制功能測試

為了對系統功能及運行效果進行驗證，本文在山西古交西曲礦進行系統實際運行測試。在測試過程中，系統可通過上位機操作平臺有效控制變頻器實現采煤機截割電機啟停、加減速和正反轉，上位機串口波特率設置為9600 bps，數據位數設置為8，停止位1 位，左右兩臺截割電機啟動時間間隔>5 s。當通過交互界面點擊左、右牽引時，采煤機可通過控制牽引電機向不同方向加減速實現左右牽引功能。

4.2 系統運行監測功能測試

當系統運行后，上位機監控界面可有效顯示采煤機主要部位溫度、振動、電壓電流等關鍵參數及實時變化曲線，本部分選取8 組測試過程中的溫度信號采集值對系統監測精度進行驗證，具體測試數據如表1 所示。

表1 溫度采集測試數據

由于系統采用PT100 鉑熱電阻對溫度信號進行采集，由表可知系統輸出電阻信號與溫度測試值呈良好線性關系，最大測量誤差穩定控制在1%內，系統數據監測精度良好。

4 結語

本文通過硬件方案設計選型及系統軟件設計對電牽引采煤機遠程監控系統進行架構，在硬件方面采用高性能DSP 主控器及各類傳感器對采煤機運行參數進行實時采集與控制，數據通過CAN 總線與上位機實現傳輸，由上位機遠程監控系統對采煤機的主要運行參數進行實時顯示及主要傳動機構的動作控制，實現了針對采煤機的運行狀態實時監測及遠程控制。