潘亮飞

（山西寿阳潞阳昌泰煤业有限公司，山西 寿阳 045414）

引言

采煤机作为井下煤矿生产的主要动力设备，其控制流程安全性和工作稳定性关系着煤炭企业的生产运营和经济效率，随着现代科技和信息技术的蓬勃发展，各种信息电子设备在煤矿生产中广泛应用，极大地提高了设备电控性能，DSP及电子信息技术的应用，使设备的智能化和可控性增强，并且可以有效监控设备运行状况，有利于系统及时发现、判断、排除故障，保证煤炭生产的顺利运行。同时，设备采用DSP核心技术，使其电子控制系统的扩展性和处理数据能力大幅提升，保证采煤机在井下复杂环境下生产的运行以及数据处理需求，提高了电控操控系统工作效率，进而使开采效率得到进一步提高。

1 采煤机工作特点

在煤炭生产中采煤机作为重要的开采设备，具有功率大、应用广泛、工作效率高等特点。该设备按结构可分为截割系统、牵引系统、电气系统及液压调高系统等部分，各部功能的实现是通过电子控制系统的实时监测和控制来达到的。采煤机电控应用系统的控制范围包括控制升降左右摇臂、控制电机左右截割、牵引左右变频器及电机、实时采集牵引和截割部分运行状态信息，并通过以太网将监测信息传送至控制处理中心，有效预防设备故障[1]。

2 采煤机电控系统结构

本论文主要对电牵引采煤电机进行分析和研究，该电机采用了DSP控制器，研究的主要内容包括实时监控系统、控制操作系统、远程操作控制系统等部分。其中监控系统主要分为采集信息、处理信息以及报警配置；控制操作系统主要包括对牵引和截割两部分进行控制；远程控制操作系统主要包括CAN的接口设计及通信程序软件等。电控系统结构详见图1。

图1 电控系统结构

3 采煤机电控系统设计方案

本论文设计研发的采煤机采用DSP作为控制核心，其型号为TMS320F2812系列，目前，DSP在工业领域被普遍应用，并以其安全稳定的性能受到用户认可[2]。DSP具有更快的处理能力和处理速度，最高可达ns级。DSP运行时的电压为：I/O与Flash为3.3 V，内核为1.8 V，有效降低了芯片的功耗。DSP具备56个通用的可重复应用的编程引脚GPIO，能够保证采煤机扩展开发电子控制系统的软件需求。

该系统在对采煤机电机运行电流状态进行数据采集时，使用RS-485协议实现计算机与控制器通讯之间远距离数据信息传输，采用三菱GOT1000型触摸屏，屏上能够对采煤机运行状态、变频器运行状态、截割机运行电流等工作运行状态进行实时显示。通过芯片CPLD控制牵引电机，对CPLD接口进行扩展，使接口模块体积得到缩减的同时提高抗震能力[3]。

4 系统硬件设计

4.1 电流模拟信号的采集

采集如下页图2所示，输入端的电流通过A_IN0流入，其大小为4～20 mA电流，电流经过0.5 W电阻变为电压型信号，稳压二极管D14的作用一方面是防止峰值电压损坏电路，另一方面是防止感应电影响采集数据的真实性。B8能够有效减少电磁的干扰，使传输到A/D的信号精确、平稳。

图2 电流模拟信号的采集模块

4.2 温度测量电路的设计

温度测量的主要内容是要对牵引式变压器和截割运行电机的温度变化进行测量，如果电机的温度过高，系统会及时将相关数据上传到控制端，再对现场情况进行分析后选择减少工作量或停机，以避免电机损坏。

读取DS18B20温度的主要方式是通过DQ引脚读、写高低电平的时序来实现，为使DS18B20驱动力得到增强，在其引脚上加装上拉电阻，以确保读、写全过程被可靠置低或置高，读取温度时首先进行初始化程序，然后进行读、写的时序程序。时序程序的编写将控制主机作为主设备，单总线元件作为从设备使用，启动主机的时序作为一切命令和数据传输的起始时间，若从设备需要回传数据，则要完成主机命令后才能再次开启时序接收[4]。

4.3 CPLD扩展

当牵引式采煤机工作运行时，需要对多种复杂的参数进行检测和控制，短时间内完成巨大的数据量传输，这些参数包括加减牵引电机的运行速度、上升和下降摇臂、监测水及瓦斯流量、启动和停止截割电机等。DSP引脚无法满足如此庞大的数字量处理，故此，采用CPLD芯片来完成对DSP的引脚扩展。

4.4 光电隔离设计

在DSP各种数字量的采集处理中，电压基本为12 V，其电压的等级比GPIO引脚电压3.3 V要高，所以，控制应用系统需通过加装隔离模块将采集来的电量数据处理转换成DSP能够接收和处理的数据信号，同时防止控制器受到任何高压干扰。其中光电的隔离模块选用TLP521-4型号，可实现四通道转换电量，在设计DSP时，把GPIOD与GPI OF设为引脚输入，可供32个管脚输入。故此，TLP521-4型芯片的可用个数是8[5]。图3为光电隔离电路。

5 软件设计

5.1 采煤机控制流程

图3 光电隔离电路

根据对牵引式采煤机的研究分析可知，牵引控制系统的主要任务包括：送电、断电、停止、加速、减速以及左、右牵引和松、抱闸等；截割控制系统主要任务包括启动和停止左右电机、升起和降下左右摇臂等。

牵引送电前提条件是：变压器不能高于135℃，且水流量正常的情况下才能将“牵引送电”键按下，开始送电。送电后牵引变频器自动检测需要30 s，其间不能加以牵引或断电。

牵引断电前提条件是：变频器发生故障或者励磁完成，而且同时牵引已经停止时，按下停止按钮设备停止[6]。

左右牵引工作前提条件是：故障变频器故障排除后或者变频器励磁完成后，按下左或右牵引运行按钮，实施左或右侧牵引。

松闸的前提条件是：当牵引送电或是开始左牵/右牵，同时牵引的速度不是0时，在延时4.8 s后松闸。

牵引停止的前提条件是：将“牵停”键按下，停止牵引；同时将“左牵”和“右牵”键按下，停止牵引；变频器障碍，牵引停止；变压器或电机的温度超过155℃，且持续时间30 s，停止牵引；瓦斯的浓度超过限定值，或是断电仪发出告警时停止牵引；牵引水流量出现不足，且持续时间60 s时停止牵引；变频器电流输出过大或是温度过高时停止牵引。牵引在停止以后，速度归零，同时抱闸。

抱闸的前提条件是：停止牵引或者速度为零。

左/右截割电机的启动前提条件是：绝缘和水流量的监测状态正常，截割机左右温度不超过155℃，这时将“左截启”或是“右截启”键按下完成电机的启动。左右两机启动时间必须间隔6 s以上。

升降摇臂的前提条件是：将“左升”键按下，左摇臂开始上升；将“左降”键按下，左摇臂开始下降；将“右升”键按下，右摇臂上升；将“右降”键按下，右摇臂下降。

5.2 DSP程序的设计

DSP的程序设计选用按顺序进行扫描的方式，当检测状态正常时对数字量模块输入扫描，扫描成功后进入采煤机操作程序。该部分为采煤机主体程序，具体流程如下图4所示。

图4 软件控制流程

当采煤机因故障停止运行，或发生重要部位损坏时，要先将采煤机停运，详细记录故障时间及相关信息，当采煤机处于故障状态时，不可以自动恢复。必须通过工作人员检修，排除障碍后启动复位键才能重新启动采煤机程序[7]。

DSP无论是与主变频器还是从变频器数据通信过程中，都需要将DSP作为主机，两台变频器均为从机。只有变频器处于ABB状态时DSP才对其发出读取指令，以时间间隔0.2 s的中断式读取方式从变频器中获取信息。触摸式显示屏自带的寄存器与DSP的Modbus-RTU命令格式和通信参数一致，可以直接通讯。DSP通过CAN总线技术来完成与远程计算机之间的数据通信，当远程计算机邮箱收到信息数据后，会产生中断，由DSP对获取的数据帧分析处理后，形成应答帧，并完成远程发送。远程计算机能够对DSP中的采煤状况信息进行实时读取，通过分析向DSP下达控制指令，以实现对采煤机工作运行的有效控制。

6 结论

使用DSP作为采煤机的主控制器有利于系统及时发现、判断、排除故障，使其电子控制系统的扩展性和处理数据能力大幅提升，保证采煤机在井下复杂环境下的生产运行以及处理数据需求，提高了电控操控系统工作效率，在硬件的设计上应用了抗干扰优异的电流信息采集电路，并设计了光电转换隔离电路，从而确保了信号采集以及输入的安全性，进而对主板起到保护作用，在软件上的设计采用DSP程序设计，利用CAN进行数据传输以及计算机通讯，从而使采煤机的工作性能大幅度提升。