電牽引采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 君

(山西焦煤 西山煤電 西銘礦供應(yīng)部，山西 太原 030052)

0 引言

采煤機(jī)作為煤礦井下負(fù)責(zé)煤炭開采的主要設(shè)備，其牽引調(diào)速方式經(jīng)歷了機(jī)械牽引、液壓牽引及電牽引三個(gè)階段[1-3]。其中最早的機(jī)械牽引由齒輪傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了有級(jí)調(diào)速，液壓牽引通過液壓傳動(dòng)調(diào)速實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)速，最后發(fā)展至由電氣控制的有四象限運(yùn)行及無級(jí)調(diào)速功能的電牽引調(diào)速，目前以交流變頻調(diào)速為主。電牽引采煤機(jī)的電控系統(tǒng)按照控制核心的不同可分為單片機(jī)控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)及DSP控制系統(tǒng)。單片機(jī)控制系統(tǒng)由于運(yùn)行速度較慢、兼容性較差等缺點(diǎn)已處于淘汰階段；而PLC控制系統(tǒng)的模塊化程度較高，在實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的控制算法時(shí)需增加擴(kuò)展模塊才能實(shí)現(xiàn)；以DSP為核心的嵌入式控制系統(tǒng)相比于PLC具備更好的兼容性及實(shí)時(shí)性，在目前控制算法日益復(fù)雜的發(fā)展趨勢(shì)下DSP更適用于采煤機(jī)智能控制的應(yīng)用場(chǎng)合。

在采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，目前存在的問題主要集中于監(jiān)測(cè)參數(shù)不夠全面及數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、精度較差，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為此，本文選用高性能DSP控制器設(shè)計(jì)了一套針對(duì)電牽引采煤機(jī)的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并采用CAN總線通信方式對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，有效地提高了系統(tǒng)的控制效果、監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性及精度，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的基本動(dòng)作控制及運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 電牽引采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

目前煤礦普遍使用的雙滾筒電牽引采煤機(jī)按照結(jié)構(gòu)可分為牽引部、截割部和液壓調(diào)高部，需控制及監(jiān)測(cè)的主要部位分別為兩臺(tái)牽引電機(jī)、兩臺(tái)截割電機(jī)及左、右搖臂。電控系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的兩大功能分別為：首先通過通信手段及變頻控制技術(shù)完成對(duì)采煤機(jī)牽引部及截割部4臺(tái)電機(jī)的啟停、調(diào)速遠(yuǎn)程控制及左、右搖臂的升降控制；其次結(jié)合傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)上述主要部件的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)監(jiān)測(cè)。本文將從牽引部控制、截割部控制及運(yùn)行監(jiān)測(cè)三部分確定采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1.1 牽引部控制方案設(shè)計(jì)

采煤機(jī)的牽引部是提供行走動(dòng)力的主要部分，通過前、后兩臺(tái)牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)前進(jìn)或后退，并通過電磁制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)停車及松閘。本文采用兩臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)牽引電機(jī)的控制，由DSP主控模塊通過傳感器負(fù)載反饋控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩，保證兩臺(tái)牽引電機(jī)負(fù)載相同。

在變頻器控制模式選擇上，本文采用主從控制結(jié)構(gòu)，將其中一臺(tái)變頻器設(shè)為主變頻器，通過DSP主控模塊所接收的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)采煤機(jī)的轉(zhuǎn)速及相應(yīng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，并將該計(jì)算值傳輸至從變頻器控制其輸出，從而實(shí)現(xiàn)左、右牽引電機(jī)負(fù)載及輸出同步化。

除牽引電機(jī)基本控制功能外，系統(tǒng)還需具備牽引電機(jī)及變頻器等主要部件的監(jiān)測(cè)保護(hù)功能，如表1所示。

表1 牽引控制系統(tǒng)具體功能

1.2 截割部控制方案設(shè)計(jì)

截割部的工作原理是：通過兩臺(tái)截割電機(jī)驅(qū)動(dòng)截割頭旋轉(zhuǎn)對(duì)煤層進(jìn)行開采，并通過比例電磁閥調(diào)節(jié)液壓油缸的伸縮量控制搖臂升降[4,5]，從而改變截割頭高度。

截割部電控系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成截割電機(jī)啟停控制及搖臂升降控制等基本控制操作及截割電機(jī)等主要部件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及保護(hù)。其中截割電機(jī)的啟停由上位機(jī)對(duì)主控器發(fā)出指令進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，搖臂升降控制也由DSP主控模塊通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)控制比例電磁閥實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)具體功能如表2所示。

表2 截割控制系統(tǒng)具體功能

1.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸及實(shí)時(shí)顯示三部分組成，數(shù)據(jù)采集由傳感器作為采集單元通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳至DSP主控器及上位機(jī)顯示器，最終由上位機(jī)對(duì)各類采集信號(hào)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警診斷。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取集中于采煤機(jī)牽引電機(jī)、截割電機(jī)和變頻器等電氣部分，液壓油缸及泵站液位、油溫、壓力及冷卻水壓力、流量，以及搖臂軸承、傳動(dòng)箱齒輪等機(jī)械部件，具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置及傳感器類型如表3所示。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置及傳感器類型

2 電牽引采煤機(jī)控制部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)控制部分主要由DSP主控器、上位機(jī)、變頻器、礦用遙控器及數(shù)字接口擴(kuò)展板等部分組成。為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，本文采用CAN總線+RS485組合通信對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行架構(gòu)，其中DSP與上位機(jī)數(shù)據(jù)交互通過CAN總線完成，變頻器與DSP通信通過RS485總線建立，采煤機(jī)電控系統(tǒng)控制部分結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)控制部分結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可知，DSP主控模塊為該系統(tǒng)的控制核心，為保證系統(tǒng)的控制性能，本文選用TMS320F2812型DSP作為系統(tǒng)主控芯片，其內(nèi)部具有豐富的外部接口，指令處理速度可達(dá)ns級(jí)，其運(yùn)行速度、計(jì)算精度及接口擴(kuò)展性可滿足本系統(tǒng)的控制要求。系統(tǒng)對(duì)牽引部的控制主要通過DSP下達(dá)的指令改變主、從變頻器輸出值從而控制牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)左、右牽引電機(jī)啟停及調(diào)速控制。截割部的控制系統(tǒng)可通過CPLD數(shù)字接口擴(kuò)展板的輸出信號(hào)直接對(duì)截割部電機(jī)及搖臂進(jìn)行啟停及升降控制。由于系統(tǒng)數(shù)字控制信號(hào)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較多，DSP內(nèi)部自帶的I/O接口數(shù)量無法滿足監(jiān)控需求，本系統(tǒng)通過外加CPLD數(shù)字接口模塊對(duì)系統(tǒng)的可用I/O接口進(jìn)行擴(kuò)展，將遠(yuǎn)程控制的遙控器信號(hào)及操作臺(tái)按鈕信號(hào)作為CPLD的輸入端并通過DSP主控器的相應(yīng)指令對(duì)截割電機(jī)、搖臂及變頻器進(jìn)行控制。CPLD的選用型號(hào)為XC9536XL-10VQG64C，其內(nèi)部I/O接口數(shù)量高達(dá)36個(gè)，傳播延遲低至10 ns，工作頻率最高可至178 Hz，其豐富的數(shù)字接口量及傳輸速率可滿足本系統(tǒng)的接口擴(kuò)展需求。

3 電牽引采煤機(jī)監(jiān)測(cè)部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電牽引采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要包括對(duì)截割及牽引電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度監(jiān)測(cè)，液壓油缸油壓、液位及行程的監(jiān)測(cè)，冷卻水系統(tǒng)冷卻水流量及壓力監(jiān)測(cè)，左、右搖臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速箱齒輪及軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)。除對(duì)以上采煤機(jī)主要機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)外，系統(tǒng)還可對(duì)采煤機(jī)位置及傾角、搖臂角度等位姿狀態(tài)以及采煤機(jī)工作環(huán)境中的瓦斯及粉塵濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)量的采集由各類傳感器組成的采集模塊完成，相應(yīng)監(jiān)測(cè)信號(hào)可分為模擬量信號(hào)及數(shù)字量信號(hào)兩大類，以電機(jī)溫度、電量、轉(zhuǎn)速信號(hào)及液壓油缸壓力、液位信號(hào)為主的模擬量信號(hào)需通過電壓轉(zhuǎn)換及放大電路將其調(diào)整至DSP模擬量接口可識(shí)別的0～3 V電壓信號(hào)后輸入至DSP，并進(jìn)一步通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。以變頻器故障信號(hào)、遙控信號(hào)及瓦斯?jié)舛刃盘?hào)為主的數(shù)字量開關(guān)信號(hào)可直接通過CPLD的輸入端傳輸至DSP主控器進(jìn)行采集。

4 結(jié)束語

本文基于高性能DSP主芯片及各類傳感器設(shè)計(jì)了一套基于CAN總線通信的電牽引采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割啟停、搖臂升降以及左、右牽引等基本控制功能，同時(shí)通過上位機(jī)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效提高了采煤機(jī)電控系統(tǒng)的智能化控制及運(yùn)行監(jiān)測(cè)水平。