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

王 偉

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)申南凹焦煤有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

目前，由于煤礦井下開采環(huán)境極其復(fù)雜，空氣中含有較多危險(xiǎn)氣體，使得煤層的開采十分困難，對煤礦機(jī)械設(shè)備的功能需求提出了很高的要求。采煤機(jī)作為井下煤層開采的重要機(jī)械設(shè)備[1-2]，其工作性能對于礦井煤層開采量影響巨大，所以提升采煤機(jī)復(fù)雜工況的運(yùn)行效果成為了時(shí)下熱門課題。采煤機(jī)自動(dòng)化是未來煤層開采的趨勢，其電控系統(tǒng)需要具備良好的可靠性、擴(kuò)展性及運(yùn)算處理能力[3-4]，為了提升采煤機(jī)電控系統(tǒng)運(yùn)行效率，以申南凹礦為研究背景，對采煤機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提出基于DSP 的采煤機(jī)電控系統(tǒng)，為采煤機(jī)優(yōu)化研究提供一定的參考與借鑒。

1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)分析

采煤機(jī)是由電氣、液壓、機(jī)械等系統(tǒng)組成，其中電氣控制系統(tǒng)是采煤機(jī)控制及保護(hù)的基礎(chǔ)，本文的研究對象為申南凹礦MG650/1480 型采煤機(jī)，采煤機(jī)的牽引部由左右兩個(gè)牽引部組合而成，在運(yùn)行過程中避免出現(xiàn)一帶一的情況，將一個(gè)變頻器作為主變頻器，主控制器接收到外部的信號后將載荷平均分配至兩個(gè)牽引部，從而使得電機(jī)負(fù)載相同。截割部是由大功率電機(jī)組成，通過控制器控制實(shí)現(xiàn)液控回路的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對滾筒的控制。狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)通過對采煤機(jī)的運(yùn)行信號進(jìn)行收集和監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)故障及工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

根據(jù)對采煤機(jī)系統(tǒng)的分析，確定基于DSP 的采煤機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)示意圖

從圖1 可以看出，基于DSP 的采煤機(jī)電控系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)主控模塊為DSP 控制器；數(shù)值量是經(jīng)過光電隔離后的DSP 及CPLD 輸入、輸出模塊，模塊的接收接口主要是收集控制命令及數(shù)值監(jiān)控信號，模塊輸出接口連接采煤機(jī)截割電機(jī)、搖臂，接收到數(shù)字量信號后經(jīng)過中央處理系統(tǒng)對信號進(jìn)行分離、處理，再經(jīng)過輸出端實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割部自動(dòng)控制；系統(tǒng)的通信接口分為RS232 總線接口、CAN 總線接口及RS485 接口；顯示模塊通過接口實(shí)現(xiàn)觸摸屏與DSP 的信息交換；遠(yuǎn)程控制單元通過CAN 總線連接DSP 控制器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

電牽引采煤機(jī)的遙控采用FYF30 礦用本安型遙控，這是一款專為煤礦開采設(shè)計(jì)的控制器，F(xiàn)YF30 礦用本安型遙控與輸入接口模塊連接，可以實(shí)現(xiàn)對總停、牽停、右牽、左牽、上升、下降、破降、破升的控制?？刂破鞯淖畲筝斎腚娏鳛?00 mA，電源電壓為12 V，為了保障遙控的安全，串聯(lián)I kΩ 的電阻。

對采煤機(jī)主控模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先選定用于數(shù)字控制的DSP，同時(shí)采用TSM320F2812 芯片為主控系統(tǒng)的控制芯片，通過對F2812 芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)擴(kuò)展，解決設(shè)備接口復(fù)雜的問題。電牽引采煤機(jī)的接口模塊選定，考慮到采煤機(jī)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制的數(shù)字量很大，所以選定CPLD 來實(shí)現(xiàn)DSP 的擴(kuò)展，CPLD 進(jìn)行擴(kuò)展不僅能夠減小接口的體積，同時(shí)能夠有效提升接口的抗振性能；顯示模塊選定為GOT1000 顯示器，將電牽引采煤機(jī)的控制參數(shù)如溫度、速度、電流等顯示于屏幕中，通過觸屏軟件對觸屏界面內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯，同時(shí)設(shè)置監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行及故障情況；對采煤機(jī)運(yùn)行過程中的電流、溫度、瓦斯?jié)舛鹊冗M(jìn)行檢測，分別選定不同的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；系統(tǒng)的控制模塊選定Quest 3D 遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，通過采集卡將數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)通過DSP 控制器進(jìn)行信息處理，從而控制采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對采煤機(jī)電控系統(tǒng)硬件進(jìn)行選定后，對其進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，首先對電牽引采煤機(jī)的輸入接口的控制按鈕進(jìn)行功能分配，輸入接口功能分配如表1所示。

表1 輸入接口功能分配

輸出接口共計(jì)20 個(gè)，分別連接至電磁變頻器及繼電器接口位置，輸出接口的分配情況如表2 所示。

表2 輸出接口功能分配

DSP 控制器利用變頻器對牽引電機(jī)進(jìn)行啟停、加減速、正反轉(zhuǎn)等進(jìn)行控制，變頻器采用一拖一模式，兩臺(tái)變頻器采取主從控制方式，變頻器的IO 端子定義如表3 所示。

表3 變頻器的IO 端子定義

DSP 控制器通過RS485 與變頻器進(jìn)行連接，F(xiàn)2812 擁有兩個(gè)串行通行接口SCIA 和SCIB，本系統(tǒng)利用MAX3485 芯片設(shè)計(jì)SCIB 將其作為RS485接口，同時(shí)連接兩臺(tái)變頻器，接線圖如圖2 所示。

圖2 MAX3485 接線圖

對DSP 程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，程序采取掃描的方式，通過掃描數(shù)字量輸入模塊，進(jìn)入各部分控制程序，輸出接口下步工作程序，程序循環(huán)執(zhí)行此過程，主控制器邏輯流程如圖3 所示。

圖3 主控制器循環(huán)流程

當(dāng)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)迅速對故障進(jìn)行判定、報(bào)警、記錄。系統(tǒng)故障分為一般故障和致命故障，當(dāng)發(fā)生一般故障時(shí)，在不影響其余部位工作時(shí)，采煤機(jī)繼續(xù)工作，當(dāng)檢測出致命故障時(shí)，采煤機(jī)會(huì)立刻停機(jī)，待維修人員對故障修理后，系統(tǒng)才能重新啟動(dòng)運(yùn)行。采煤機(jī)中斷控制主要是對信號進(jìn)行收發(fā)，其中AD 采集中斷觸發(fā)是一個(gè)周期性的過程，中斷包括觸屏通信中斷、遠(yuǎn)程控制通信中斷、變頻器通信中斷，一旦CAN 模塊接收到中斷信號后會(huì)立刻中斷。

3 結(jié)語

煤礦采煤機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是影響采煤機(jī)械效率的主要因素，基于DSP 的采煤機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電牽引采煤機(jī)的基本控制功能，有效地解決了原有控制系統(tǒng)的復(fù)雜性及不靈活性，提升了礦井采煤機(jī)的安全性。