一種基于智能調(diào)速的低能耗電牽引采煤機(jī)系統(tǒng)

李清賢

河南神火集團(tuán)薛湖煤礦

電牽引采煤機(jī)在井下工作面的生產(chǎn)中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，其截割效率對(duì)煤礦開(kāi)采速率產(chǎn)生至關(guān)重要的作用，隨著智能控制和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，如何在恒功率下提高電牽引采煤機(jī)的截割速度成為制約煤礦高效率生產(chǎn)的重要因素。本文首先深入剖析電牽引采煤機(jī)的調(diào)速原理和機(jī)械特性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了針對(duì)采煤機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)，給出了該控制系統(tǒng)的溫度檢測(cè)模塊、CPU 控制模塊、信號(hào)采集模塊以及通信接口的硬件電路。

引言

電牽引采煤機(jī)是一種機(jī)械和電子信息結(jié)合的自動(dòng)化采煤設(shè)備，基本原理是通過(guò)電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)牽引機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在運(yùn)輸機(jī)上按照預(yù)定的工藝要求自動(dòng)變速滑動(dòng)的目的，由于其具有性能優(yōu)良、可靠性高、操作方便、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于復(fù)雜的煤巖特點(diǎn)以及操控者的熟練程度差異使得采煤機(jī)電動(dòng)機(jī)的工作效率低下、功率波動(dòng)幅度大、且控制特性不正常，直接對(duì)截割電動(dòng)機(jī)的工作性能和使用壽命產(chǎn)生重要的影響。鑒于采煤機(jī)的控制對(duì)象包含與煤巖有關(guān)的反饋參數(shù)，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型比較難。本文給出了一種新型的電牽引采煤機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，在確定控制系統(tǒng)總體方案的基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的硬件電路和相應(yīng)的軟件程序。

采煤機(jī)在恒功率下的調(diào)速理論

電動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)做機(jī)械移動(dòng)的動(dòng)力源，通過(guò)截割電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)的螺旋滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，使得采煤機(jī)的行走機(jī)構(gòu)正常行進(jìn)，液壓泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的液壓系統(tǒng)，完成采煤機(jī)的滾筒調(diào)高等動(dòng)作。一般的采煤系統(tǒng)具有 4～7 臺(tái)電機(jī)，包括了兩臺(tái)大功率三相異步截割電機(jī)，特點(diǎn)是能夠進(jìn)行恒速運(yùn)行；還有兩臺(tái)帶有調(diào)速控制的牽引電機(jī)，以及需要調(diào)速的液壓泵電機(jī)等。從電機(jī)總功率配置角度可以看出，截割功率在總裝機(jī)功率中占有很大的比重，牽引功率缺占有很少的比例，因此要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的恒功率調(diào)速，首先需要保證截割電機(jī)的功率保持恒定。由采煤機(jī)恒功率控制的機(jī)理可以得到相應(yīng)的功率計(jì)算公式為：

式（1）中，U 代表電動(dòng)機(jī)額定電壓，I 代表相應(yīng)的額定電流，cosφ 代表相應(yīng)的功率因數(shù)，為電機(jī)工作效率。從式（1）看出，由于工作效率和功率因數(shù)是恒定不變的，因此當(dāng)電動(dòng)機(jī)額定電壓確定后，電動(dòng)機(jī)輸出的功率與額定電路成正比關(guān)系。

根據(jù)文獻(xiàn)介紹可知，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載主要是截割阻力，隨著截割阻力變大，截割阻抗呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，引起負(fù)載電流增大。通過(guò)這個(gè)規(guī)律，利用電流互感器測(cè)量電機(jī)的負(fù)載工作電流，將工作電流與額定電流相比較，根據(jù)比較結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的“超載”或“欠載”信號(hào)。綜上所述，牽引速度和截割電機(jī)的功率大致呈現(xiàn)正比關(guān)系，因此當(dāng)發(fā)生電機(jī)過(guò)載時(shí)，可以降低牽引速度來(lái)減小截割功率，保持電機(jī)能夠大致處在額定功率運(yùn)行，達(dá)到充分發(fā)揮電機(jī)效能目的。

電牽引采煤機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)

采煤機(jī)基于恒功率下的調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和處理當(dāng)前的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)，包括牽引速度、電動(dòng)機(jī)工作電流和溫度以及截割電機(jī)的電流、溫度等參數(shù)，當(dāng)上述的某一個(gè)參數(shù)超過(guò)規(guī)定值時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息并要求運(yùn)行人員做出處理，最?lèi)毫忧闆r下將采煤機(jī)停止運(yùn)行；并且依據(jù)采集到的截割電機(jī)電流信號(hào)，由控制器CPU 程序做出及時(shí)處理，同時(shí)給變頻器控制信號(hào)以此來(lái)調(diào)節(jié)牽引電機(jī)的速度，達(dá)到截割電機(jī)基于恒功率下的調(diào)速目的。

本文提出的系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)方案包括以下的功能模塊：電流信號(hào)測(cè)量模塊、通信接口模塊、溫度檢測(cè)模塊、PLC 控制模塊等。控制模塊包括了模擬量測(cè)量、通信傳輸以及控制中心處理等功能，上述的模塊功能如下所述。

模擬信號(hào)檢測(cè)模塊

該模塊主要包括電流和溫度兩個(gè)檢測(cè)量子模塊，各個(gè)子模塊采集相應(yīng)的信號(hào)，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行編碼處理，定時(shí)的將檢測(cè)信息發(fā)送到通信總線上，利用LED 指示燈實(shí)時(shí)顯示該模塊的總線工作狀態(tài)。

PLC 的CPU 控制模塊

該模塊主要用來(lái)接收遙控信號(hào)和開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，并對(duì)上述兩個(gè)信號(hào)做出編碼處理，同時(shí)發(fā)送到通信總線上。操作人員利用遙控器對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，不僅減少了工作量，同時(shí)降低了惡劣環(huán)境下工作人員的危險(xiǎn)度?？刂崎_(kāi)關(guān)的按鍵裝設(shè)在端頭站，防止遙控器失效，造成無(wú)法控制采煤機(jī)的事故，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)工作的可靠性。

通信接口與傳輸模塊

該模塊的接口用于實(shí)現(xiàn) PLC、變頻器與CAN 總線之間的數(shù)據(jù)傳輸，把采集到的采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)和控制信號(hào)實(shí)時(shí)地發(fā)送到 CAN 總線，同時(shí)將接收到的各個(gè)信號(hào)利用RS485 總線傳送到 PLC；并且該模塊還將變頻器的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)定時(shí)地傳送給 PLC。

調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路與軟件功能

本文提出的系統(tǒng)采用 CAN 通信總線，該串行通信網(wǎng)絡(luò)具有實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)流、能夠分散控制并且保密好的優(yōu)點(diǎn)。該總線的通信媒介包括了光導(dǎo)纖維、雙絞線和同軸電纜。CPU 主控模塊芯片采用MCU-C8051F050。其帶有CAN 控制，是一種具備信號(hào)高速處理的單片機(jī)，內(nèi)核采用了CIP-51，軟件程序開(kāi)發(fā)采用標(biāo)準(zhǔn)的803x/805x匯編/編譯器。該CPU 具有2 個(gè)全雙UART、5 個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、256B 的RAM 以及128B 的特殊功能寄存器。溫度測(cè)量模塊用于實(shí)時(shí)測(cè)量牽引電機(jī)和截割電機(jī)的溫度。把每一個(gè)截割電機(jī)和牽引電機(jī)都安裝一個(gè)PT100。該溫度傳感器能夠顯示電機(jī)工作溫度。電流信號(hào)檢測(cè)模塊主要用于測(cè)量截割電動(dòng)機(jī)的工作電流，并能夠?qū)?dāng)前工作電流信號(hào)傳送到CAN 總線，最終傳送給PLC，PLC 根據(jù)當(dāng)前的工作電流值發(fā)出相應(yīng)的反饋控制信號(hào)。電流互感器以及變送器主要完成截割電機(jī)的電流/電壓轉(zhuǎn)換功能，最終變成 0～10V 范圍的電壓信號(hào)，該模塊選用F-20B 遙控組件，包括遙控器、接收器和按鍵三部分。將接收器安裝到終端頭上，作為采煤機(jī)控制的后備保護(hù)。

結(jié)束語(yǔ)

本文首先闡述了電牽引采煤機(jī)基于恒功率下的調(diào)速控制理論，據(jù)此給出了采煤機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各個(gè)功能模塊，為優(yōu)化采煤機(jī)工作系統(tǒng)提供了新的設(shè)計(jì)理念。本文僅對(duì)電牽引采煤機(jī)在恒功率工作下的調(diào)速控制系統(tǒng)做一些改善，主要是為了提高工作人員的工作效率和降低危險(xiǎn)度，相信能為后續(xù)研制高度智能和無(wú)人化的新一代采煤機(jī)提供一定的參考。