张卫花

（太原煤炭气化（集团）有限责任公司炉峪口煤矿， 山西 太原 033000）

引言

现阶段，在煤矿开采活动中电牵引采煤机属于关键机电设备，在电气控制技术持续发展及机械化程度持续提高过程中，煤矿开采企业开始积极引进高自动化、大功率电牵引采煤机。电控系统属于采煤机运行重要内容，传统电控系统通常选择PLC 控制器开展设计工作，具有采煤机破碎、牵引、截割等功能。然而因为PLC 控制器电控系统的通信速度无法满足工作要求，因此对于大量数据无法进行有效的实时处理。无法进一步进行智能控制开发，缺乏良好植入性，进而造成电控系统功能单一，缺乏良好自动化水平，无法保证采煤自动化需求得到有效满足[1]。

1 煤矿电牵引采煤机自动控制系统的总体方案设计

1.1 系统功能

电牵引采煤机的自动控制系统通常是针对截割部对牵引部展开自动控制、数据采集及传输等，主要功能如下：

首先，数据采集。该系统主要采集生产环境瓦斯浓度，采煤机牵引状态、位置、姿态及截割负载等，同时借助RS485 串口和数据转换单元实现传出。

其次，牵引自动控制。结合传感器数据控制制动器，停车过程中实现采煤机制动，在日常运行中松闸。将左右前进信号等发送给变频器，对采煤机相关动作展开控制，进而实现牵引的自动调速。

再次，截割的系统控制。结合传感器信息，对控制算法进行执行，对摇臂轨迹进行预测，对相关电机启停信号进行独立控制。摇臂升降，借助对电磁阀开启及关闭进行控制，实现摇臂位置及高度等方面的自动调整。

最后，远程监控。借助总线向上位机传输采煤机工况信息，技术人员借助监控设备等对采煤机进行远程监控[2]。

1.2 自动控制系统的总体设计

选择DSP 控制器进行优化设计，总体架构如图1 所示。

图1 电牵引采煤机电控系统优化设计方案

在本电控系统中，电控系统主要由传感器检测模块、按键输入单元、主控模块、远程监控模块、声光报警、变频器及液晶显示屏等模块构成。核心部分为主控模块，因为选择DSP 控制器，所以涵盖主控制器与辅控制器两部分内容。DSP 主控器主要控制传感器对采煤机工况进行检测，展开在线处理及优化等工作，进而实现相关控制功能。对于DSP 辅控制器，属于主控器后台运算系统，通过DSP 高速运算及处理功能，能够执行复杂智能控制模型及控制算法等，进而获得最优调高数据和截割数据，之后向DSP 主控器传输展开相关控制，借助DSP 双控制器，充分强化采煤机适应能力。检测模块传感器的类型，主要涵盖瓦斯浓度、温度传感器及电流互感器。电流检测涵盖破碎电机、截割电机及牵引电机等；温度检测涵盖电控箱、破碎电机、截割电机及牵引电机等。调速模块主要由一台主变频器与一台从变频器构成，对左右牵引电动机进行牵引，有效提高采煤机掘进效果。远程监控系统主要开展在线监测及采煤机工况管理等工作，借助监测数据对电控系统的故障隐患及时进行诊断。

2 煤矿电牵引采煤机自动控制系统的设计

2.1 硬件部分的优化设计

1）双DSP 控制器的型号选择。基于DSP 研发的DSP 芯片能够充分提高数据运算能力，对于相关复杂智能算法均具有良好适用性，外设资源丰富，稳定性与可靠性突出。所以，可以对电控系统与DSP 进行结合，选择双控制器。DSP 主控器及辅助器均选择TMS320F2812 型号，两者兼以高速SPI 总线传输数据。主控器主要是接受检测模块中采集的环境数据及采煤机工况数据，同时开展数据处理工作，获得具体数据。另外，借助RS232 并通过液晶显示屏展示具体信息，借助CAN 总线方式向远程控制系统传输数据，为工作人员提供准确的决策依据。另外，主控器会向辅控器发送温度及电流等工况信息，此类数据为智能控制模型与控制算法基础数据，结合基础数据，辅控制器能够有效执行智能模型预算法，之后向主控器发送控制指令，通过主控器开展采煤机的组合工艺、自动调节及其他操作。智能模型主要涵盖牵引速度自适应控制模型、采煤机截割负载预测等。

2）主变频器与从变频器调速模块设计。该模块主要是对牵引电动机进行控制拖动，促使电牵引采煤机稳定掘进行驶。该电控系统的变频器调速模块主要选择ASC800 变频器，同时选择DTC 控制方式，具有良好的转矩响应速度，没有高频噪声，主要通过DSP 主控器进行控制。

变频器选择“一拖一”控制策略，借助光纤连接技术实现通信。在该系统中，主变频器选择左牵引变频器，并借助RS485 通信技术和DSP 主控器实现通信，选择Modbus-RTU 通信协议。从变频器主要对主变频器信息进行接收，并通过主变频器展开控制。借助DSP 主控器对主变频器进行控制，能够控制牵引机启停、转速调节及正反转等操作，进而实现采煤机的牵引启停、牵引调速及左右牵引等[3]。

3）CAN 总线通信电路。该电控系统的主控模块和远程监控系统借助CAN 总线方式实现数据传输。主控模块主要借助DSP 主控器进行通信，TMS320F2812 主控器能够支持CAN 通信，内部设置eCAN 模块，能够支持CAN2.0B 通信协议。对于CAN总线网络，对于信号接口选择CANL 与CANH 形式，另外信号通过差分电压方式进行上下传输。然而因为CAN 总线和eCAN 模块电平之间电平特性具有差异性，所以进行电平转换电路设计，电路选择SN65HVD230 芯片。CAN 通信电平转换电路，如图2所示。

图2 CAN 通信电平转换电路

VCC 端电压是3.3 V，CANL、CANH 和远程监控系统CAN 总线接口直接连接；CANRXA、CANTXA端连接于DSP 主控器eCAN 单元。

4）传感器检测模块设计。对于传感器检测模块，主要涵盖瓦斯浓度及温度传感器等。其中，电流互感器选择LF305-S 型号，电流检测内容涵盖破碎电机及截割电机等；温度传感器选择Pt100 型号，主要对电控箱及牵引电机等部件运行温度进行监测；瓦斯传感器选择KG9001C 型号，对采煤机工作环境中的瓦斯浓度进行监测。

2.2 下位机程序设计

对于下位机程序设计而言，主要涵盖DSP 主控制器与DSP 辅控制器。该系统主要选择模块化编程思想，借助C 语言开发程序，一些程序选择汇编语言实现补充。开发软件选择TI 公司的XDS100 仿真器与CCS 编程软件，CCS 软件选择CCS3.3 版本。该程序主要涵盖主程序及相关子程序，其中子程序主要涵盖声光报警、CAN 通信、左右牵引、左右截煤、液压升降、冷却喷雾及DSP 辅控制器等子程序[4]。

3 结语

当前，PLC 主控制器采煤机自动控制系统并不能够保证矿井采煤需求得到有效满足，所以应该积极通过DSP 控制器及其他前沿方式对采煤机控制系统进行优化设计。通过DSP 主控制器对采煤机工况进行采集，并控制操作，借助DSP 辅控制器对智能控制模型及控制算法展开高速运算，同时向主控制器输送结果。通过应用实践发现，选择双DSP 主控制器设计电牵引采煤机自动控制系统，可以对采煤机工况信息进行快速运算，进而对采煤机进行远程监控及自动截割，有效提高截煤效果与质量，为采煤机的自动化控制提供良好研究思路。