基于DSP的電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王粉 燕云龍

山東能源重裝集團(tuán)中礦采煤機(jī)制造有限公司 山東新泰 271222

面對(duì)自動(dòng)化、信息化、智能化發(fā)展趨勢(shì)，煤礦要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，就必須牢牢把握數(shù)字經(jīng)濟(jì)變革的新時(shí)代機(jī)遇。西山煤電屯蘭礦為響應(yīng)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人、智能化無人”的綠色智慧礦山建設(shè)目標(biāo)，推動(dòng)22301自動(dòng)化工作面的建設(shè)。智能化工作面的建設(shè)主要是實(shí)現(xiàn)綜采工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等設(shè)備的智能化一鍵啟動(dòng)、采煤機(jī)的記憶割煤、自動(dòng)跟機(jī)、視頻監(jiān)控等功能運(yùn)行正常，達(dá)到綜采機(jī)械化設(shè)備的遠(yuǎn)程協(xié)同控制。為此，國內(nèi)諸多學(xué)者展開過相關(guān)研究，高梅以DSP為核心設(shè)計(jì)電牽引采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)截割控制和采煤工藝變化功能。董蘊(yùn)華，鄭先鋒通基于DSP技術(shù)的煤礦安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)記憶割煤、支架跟機(jī)智能化和煤巖識(shí)別技術(shù)的進(jìn)行研究，并通過CAN總線布設(shè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文結(jié)合以往研究成果，對(duì)智能化綜采工作面的電牽引采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，為智慧礦山建設(shè)提供了參考與借鑒。

1 電牽引采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)方案

在機(jī)械化采煤過程中，電牽引采煤機(jī)是綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，通過多電機(jī)傳動(dòng)控制使采煤機(jī)在復(fù)雜的工況條件下實(shí)現(xiàn)截割、牽引、調(diào)高等多工位協(xié)調(diào)。顯然，為保證電牽引采煤機(jī)在不同工況條件下都能可靠、穩(wěn)定和高效地運(yùn)行，電控系統(tǒng)需要確保采煤機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)嚴(yán)格響應(yīng)主控制器指令，在線監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)處理傳感器測(cè)量信號(hào)。考慮到電牽引采煤機(jī)復(fù)雜的運(yùn)行工況和系統(tǒng)構(gòu)成，采用S7-300PLC為主控制器、DSP為從控制器的電控系統(tǒng)總體方案。主控制器S7-300PLC為采煤機(jī)提供成熟的監(jiān)控架構(gòu)，利用通用的輸入、輸出端口和標(biāo)準(zhǔn)的通信模塊接入采煤機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器等部件，既降低開發(fā)周期和成本，便于后續(xù)功能擴(kuò)展，又方便對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。從控制器TMS320F2812DSP為S7-300PLC的監(jiān)測(cè)信號(hào)搭建高速運(yùn)算和處理平臺(tái)，降低PLC主程序內(nèi)數(shù)據(jù)塊的復(fù)雜度，利用智能算法在DSP中給出優(yōu)化的截割與調(diào)高數(shù)據(jù)，配合PLC預(yù)制的程序輸出控制信號(hào)，提高采煤機(jī)對(duì)各種復(fù)雜生產(chǎn)工況的適應(yīng)能力。電控系統(tǒng)分別利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)的主監(jiān)控臺(tái)和左右操作站、手持無線電遙控等方式控制采煤機(jī)，考慮綜采工作面連續(xù)截煤等生產(chǎn)需求，規(guī)劃配備高壓電氣箱、低壓配電箱、S7-300PLC+DSP控制箱和變頻器箱，方便對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行有序維護(hù)管理。S7-300PLC+DSP控制平臺(tái)監(jiān)測(cè)高低壓配電（變壓器、隔離開關(guān)、真空接觸器）、機(jī)械傳動(dòng)（截割、牽引和破碎）、液壓傳動(dòng)（調(diào)高）和噴霧冷卻等系統(tǒng)狀態(tài)，在截煤過程中調(diào)節(jié)牽引功率、左右搖臂高度、滾筒高度等，使允許的截割電機(jī)帶載能力與最優(yōu)的截煤生產(chǎn)效率平衡。

2 基于DSP的電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)工作原理

電牽引采煤機(jī)的電控系統(tǒng)以DSP為核心，通過對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行的物理參數(shù)以及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析處理，采煤機(jī)的位置、工作過程中實(shí)時(shí)的電流電壓、液壓系統(tǒng)的壓力、溫度等參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)過監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)處理輸出后可以判斷采煤機(jī)的行走以及截割等動(dòng)作，同時(shí)，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)以及通信功能都由主DSP完成。監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)由TMS320F2812采集并進(jìn)行計(jì)算處理，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果得到采煤機(jī)所在的位置、機(jī)身與水平面的夾角，以及搖臂的高度狀態(tài)，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)傳送至順槽遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，由顯示系統(tǒng)顯示采煤機(jī)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，工人可根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)采煤機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作。同時(shí)，主DSP將采煤機(jī)運(yùn)行過程中電壓電流、溫度以及煤層信息發(fā)給輔助DSP，從而進(jìn)行基于電流的采煤機(jī)負(fù)載運(yùn)行、速度控制、搖臂高度以及電機(jī)的故障預(yù)測(cè)等功能，結(jié)合相關(guān)的算法，將處理結(jié)果發(fā)送至主機(jī)控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

采煤機(jī)位置和姿態(tài)測(cè)試。采煤機(jī)的位置和姿態(tài)信息不僅包括采煤機(jī)在工作面中的位置、速度和姿態(tài)角，還包括采煤機(jī)的滾筒高度。通常的位置檢測(cè)方法有齒輪計(jì)數(shù)法、紅外輻射法、紅外測(cè)距法和超聲波測(cè)距法，安裝在采煤機(jī)機(jī)身上的角度傳感器用于采煤機(jī)沿工作面姿態(tài)的檢測(cè)。SINS是一種自主導(dǎo)航系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)更新率高、短期精度高和穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于航空航天、航空、海洋和其他領(lǐng)域。該方法以ADXL330為主軸，沿3軸測(cè)量3個(gè)線性加速度，以3個(gè)ADXRS150為主軸，在采煤機(jī)體坐標(biāo)下繞3個(gè)軸測(cè)量3個(gè)旋轉(zhuǎn)角速度。另外，通過測(cè)量升降缸的位移可以得到滾筒高度。該方法可以同時(shí)檢測(cè)采煤機(jī)在工作面內(nèi)的位置、姿態(tài)角、速度和滾筒高度，滿足了控制系統(tǒng)的要求?；诠ぷ髂Ｊ降牟擅簷C(jī)控制策略。采煤機(jī)自動(dòng)截割的難點(diǎn)在于其牽引速度，根據(jù)截割阻力和煤巖界面調(diào)整滾筒高度，并保持恒功率截割。根據(jù)采煤機(jī)的工作負(fù)荷，將采煤機(jī)的工作方式分為切煤和切巖兩種，提出了一種基于工作方式的采煤機(jī)控制策略：在截煤時(shí)刻，通過調(diào)整滾筒高度來跟蹤截煤路徑，同時(shí)根據(jù)恒功率控制方式來調(diào)整運(yùn)輸速度，采煤機(jī)在采煤過程中承受著巨大的沖擊載荷，沖擊載荷會(huì)對(duì)滾筒鎬和機(jī)械部件造成損傷，因此，必須立即降低運(yùn)輸速度，并進(jìn)行人工干預(yù)。上述控制策略的關(guān)鍵是煤巖界面識(shí)別。由于影響切削負(fù)荷的主要因素是切削電機(jī)電流和運(yùn)輸速度，以及二者之間的非線性關(guān)系.因此，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析了切削電機(jī)電流和運(yùn)輸速度變化對(duì)切削負(fù)荷的影響。建立的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有2個(gè)輸入層節(jié)點(diǎn)，1個(gè)輸出層節(jié)點(diǎn)，10個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)，RBF函數(shù)應(yīng)用高斯函數(shù)。經(jīng)過培訓(xùn)，可以根據(jù)牽引速度和切削電機(jī)電流確定采煤機(jī)的工作方式。

3 結(jié)語

本文以DSP為主控制器，設(shè)計(jì)了電牽引采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜保證數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，采用分布式CAN總線方案，提升抗干擾能力；同時(shí)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)，降低后期的數(shù)據(jù)線鋪設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)電牽引采煤機(jī)的遠(yuǎn)程集約化管理。為驗(yàn)證效果，屯蘭礦在22301工作面為采煤機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)得知變頻器頻率能及時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)牽引速度的控制，并通過對(duì)煤層建模高度和搖臂的軌跡預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)了電牽引采煤機(jī)的遠(yuǎn)程智能化操控。