电牵引采煤机智能控制系统设计与研究

2022-05-24董禹

机械工程与自动化 2022年2期

董禹

(西山煤电西铭矿，山西太原 030052)

0 引言

电牵引采煤机作为煤矿井下开采作业的核心设备之一，在综采生产中主要承担切割煤层和装煤的任务。电牵引采煤机内部主要由电气、机械及液压系统组成，其中电气控制系统作为采煤机正常运行的控制枢纽，其系统性能及可靠性是采煤机安全稳定运行的重要保障[1-4]。目前采煤机对于自动截割、自适应牵引、组建物联网数据库等智能化功能的需求日益增长，对相应电控系统的数据处理能力及通讯速度等性能的要求也不断提高，因此开发运算能力强、灵活性及可靠性高的智能采煤机电控系统是十分必要的。

早期的采煤机电控系统采用单片机控制核心，其CPU运算能力差，系统扩展性和兼容性差，已不再适用于智能化电控系统设计方案。目前国内大多数采煤机电控系统采用PLC集成式系统，系统的数据处理能力及扩展性都有一定程度的提高，但当需要实现更为复杂的控制功能时需要添加许多特殊扩展模块，系统的灵活性仍然较差。针对上述采煤机电控系统存在的问题，本文设计了一套以DSP为控制核心的采煤机智能控制系统，通过对DSP主控芯片的选型及各功能模块方案设计实现对采煤机牵引部、截割部等关键部位的控制、监测、遥控等功能，从而保证采煤机安全稳定运行。

1 采煤机智能控制系统总体方案设计

采煤机电控系统是实现采煤机牵引调速、截割控制、摇臂调节及实时监测功能的基础，在对其进行设计前首先需明确系统功能需求。

(1) 牵引部分控制功能。牵引部是驱动采煤机移动的动力单元，主要通过主、从变频器对左、右两台牵引电机进行调速控制，电控系统需对主、从变频器进行控制，从而实现对两台牵引电机的调速[5，6]。

(2) 截割部分控制功能。采煤机截割部主要负责煤层截割，由截割滚筒及摇臂组成，电控系统需通过主控模块控制两台截割电机驱动截割滚筒转动，同时控制电磁阀对摇臂液压系统进行调节，从而实现摇臂的升降控制。

(3) 远程控制功能。采煤机控制系统可通过地面上位机对井下采煤机进行实时控制与监测，现场下位机将监测数据实时上传至上位机，并由上位机向控制模块发送控制指令，最终由控制模块根据相应指令完成对采煤机的控制，二者通过总线通讯进行数据交互。

(4) 运行监测功能。控制系统可通过传感器对截割电机、牵引电机、减速箱、齿轮箱、滚筒及轴承等主要传动机构的运行参数进行采集并上传至控制模块中，由控制模块对各类采集信号进行分析处理，实现实时检测及故障预警诊断。

根据上述对系统控制功能的分析，本文采用模块化思想对整个控制系统进行架构，按照不同功能将系统划分为DSP主控模块、触摸显示模块、上位机模块、ADC输入模块、通讯模块及数字量接口模块，系统整体结构如图1所示。

图1 采煤机智能控制系统总体结构框图

系统主控模块选用DSP控制器，用于各类传感器信号的采集、上传及分析处理，并执行上位机下达的相关控制指令。通讯模块主要为各类通讯接口，包括RS232、RS485、CAN总线及DSP控制器自带的通讯接口等。上位机监控模块的人机交互界面用于采煤机运行参数的实时显示及相应控制、报警指令的下达，通过CAN总线与下位机进行通迅。触摸显示模块用于现场运行参数的实时显示，同时现场工人可在井下通过触摸屏对系统标定、报警等参数进行设置，通过RS232与DSP控制器实现通迅。数字量接口模块用于对DSP主控模块的数字量接口进行扩展，以满足系统对众多复杂数字量的控制需求。ADC输入模块用于对各传感器模拟信号进行集中采集。

2 硬件方案设计

采煤机智能控制系统硬件部分主要由DSP主控模块、数字量接口模块、ADC输入模块及触摸显示模块等部分组成，上述主要功能硬件的设计与选型对整个控制系统的性能及可靠性具有重要影响。

主控模块选用TMS320F28335型DSP主控芯片，其内部采用高性能静态CMOS技术，指令处理速度可达6.67 ns，具有8个外部中断、18路PWM输出的增强型外设模块、3个32位定时器及具备16个转换通道的12位A/D转换器，最高转换速度可达80 ns，同时采用了哈佛流水线结构，可实现对中断的快速响应及处理，其性能完全满足本系统对端口数量、A/D转换及运算速度等的功能需求。

选用EMP240T100C5型复杂可编程逻辑器件对主控芯片的数字量接口模块进行扩展设计，其内部具有80个I/O引脚、4种(1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V)可选I/O电压及4个全局时钟，可解决本控制系统数字量复杂且众多的问题。

控制系统的ADC输入模块采用TMS320F28335芯片自带的16路12位的A/D转换模块，其转换速度可达80 ns，同时支持多通道转换，通过各类传感器的采集上传即可完成对电牵引采煤机关键部位的电流、温度、振动等参数的检测，从而实现对采煤机运行状态的实时监测。

本系统的触摸显示模块选用MT8070iH型人机交互界面，屏幕尺寸采用16∶9的7寸65536色LCD宽屏，分辨率可达(800×480)像素，完全满足显示需求。同时触摸屏提供了128 MB内存、1个以太网口、3组异步式串行通讯端口及2个USB接口，保证了数据传输的可靠性及灵活性，可实现采煤机运行状态参数的实时显示[7,8]。通过内部搭载的EB8000 V2.0.0触摸屏编程软件可快速对交互界面的监测、运行、故障及提示窗口进行编辑，通过RS232接口可实现与DSP主控模块的数据传输。

3 软件方案设计

采煤机智能控制系统软件部分主要为主控模块程序，本文采用顺序扫描形式对DSP主控程序进行设计，DSP主控模块主程序流程如图2所示。系统在完成初始化后由各传感器将采煤机运行参数采集后经DSP主控模块上传至触摸屏及上位机交互界面进行监测，若采煤机各部位未出现故障情况，则DSP主控程序将对数字量输入模块进行扫描，读取相应控制指令，然后根据指令运行相应控制程序完成对采煤机的控制，并对此程序循环执行。若系统在监测时发现存在故障，则立刻停止运行采煤机并由系统记录故障信息，当故障解除时即对系统进行复位并继续执行主程序。

图2 DSP主控模块主程序流程图

采煤机通过主控模块所收集的电流及转速信号与设定值对比后进行牵引加速、减速控制，从而实现对采煤机电机速度的自动控制。程序在对截割电机进行自检后即可进入加减速控制阶段，当牵引方向改变后即根据系统设定值对采煤机牵引速度进行加减速控制，最终完成整个采煤流程，若采煤过程未结束则继续循环执行此程序。采煤机调速程序流程如图3所示。