一種基于智能調速的低能耗電牽引采煤機系統

李清賢

河南神火集團薛湖煤礦

電牽引采煤機在井下工作面的生產中發揮著關鍵性的作用，其截割效率對煤礦開采速率產生至關重要的作用，隨著智能控制和數字信號處理技術的發展，如何在恒功率下提高電牽引采煤機的截割速度成為制約煤礦高效率生產的重要因素。本文首先深入剖析電牽引采煤機的調速原理和機械特性，在此基礎上設計了針對采煤機的調速控制系統，給出了該控制系統的溫度檢測模塊、CPU 控制模塊、信號采集模塊以及通信接口的硬件電路。

引言

電牽引采煤機是一種機械和電子信息結合的自動化采煤設備，基本原理是通過電動機直接帶動牽引機構，能夠實現在運輸機上按照預定的工藝要求自動變速滑動的目的，由于其具有性能優良、可靠性高、操作方便、自動化程度高的優點，因此得到了廣泛的應用。然而，由于復雜的煤巖特點以及操控者的熟練程度差異使得采煤機電動機的工作效率低下、功率波動幅度大、且控制特性不正常，直接對截割電動機的工作性能和使用壽命產生重要的影響。鑒于采煤機的控制對象包含與煤巖有關的反饋參數，建立準確的數學模型比較難。本文給出了一種新型的電牽引采煤機調速控制系統，在確定控制系統總體方案的基礎上，完成了系統各個功能模塊的硬件電路和相應的軟件程序。

采煤機在恒功率下的調速理論

電動機是實現采煤機做機械移動的動力源，通過截割電機來驅動采煤機的螺旋滾筒轉動，使得采煤機的行走機構正常行進，液壓泵電機驅動相應的液壓系統，完成采煤機的滾筒調高等動作。一般的采煤系統具有 4～7 臺電機，包括了兩臺大功率三相異步截割電機，特點是能夠進行恒速運行；還有兩臺帶有調速控制的牽引電機，以及需要調速的液壓泵電機等。從電機總功率配置角度可以看出，截割功率在總裝機功率中占有很大的比重，牽引功率缺占有很少的比例，因此要實現采煤機的恒功率調速，首先需要保證截割電機的功率保持恒定。由采煤機恒功率控制的機理可以得到相應的功率計算公式為：

式（1）中，U 代表電動機額定電壓，I 代表相應的額定電流，cosφ 代表相應的功率因數，為電機工作效率。從式（1）看出，由于工作效率和功率因數是恒定不變的，因此當電動機額定電壓確定后，電動機輸出的功率與額定電路成正比關系。

根據文獻介紹可知，電動機的負載主要是截割阻力，隨著截割阻力變大，截割阻抗呈現上升趨勢，引起負載電流增大。通過這個規律，利用電流互感器測量電機的負載工作電流，將工作電流與額定電流相比較，根據比較結果發出相應的“超載”或“欠載”信號。綜上所述，牽引速度和截割電機的功率大致呈現正比關系，因此當發生電機過載時，可以降低牽引速度來減小截割功率，保持電機能夠大致處在額定功率運行，達到充分發揮電機效能目的。

電牽引采煤機調速控制系統的總體架構

采煤機基于恒功率下的調速系統實時采集和處理當前的各個運行參數，包括牽引速度、電動機工作電流和溫度以及截割電機的電流、溫度等參數，當上述的某一個參數超過規定值時，自動發出報警信息并要求運行人員做出處理，最惡劣情況下將采煤機停止運行；并且依據采集到的截割電機電流信號，由控制器CPU 程序做出及時處理，同時給變頻器控制信號以此來調節牽引電機的速度，達到截割電機基于恒功率下的調速目的。

本文提出的系統模塊化的設計方案包括以下的功能模塊：電流信號測量模塊、通信接口模塊、溫度檢測模塊、PLC 控制模塊等。控制模塊包括了模擬量測量、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。

模擬信號檢測模塊

該模塊主要包括電流和溫度兩個檢測量子模塊，各個子模塊采集相應的信號，并對采集到的信號進行編碼處理，定時的將檢測信息發送到通信總線上，利用LED 指示燈實時顯示該模塊的總線工作狀態。

PLC 的CPU 控制模塊

該模塊主要用來接收遙控信號和開關控制信號，并對上述兩個信號做出編碼處理，同時發送到通信總線上。操作人員利用遙控器對采煤機進行遠程控制，不僅減少了工作量，同時降低了惡劣環境下工作人員的危險度。控制開關的按鍵裝設在端頭站，防止遙控器失效，造成無法控制采煤機的事故，進一步提高了系統工作的可靠性。

通信接口與傳輸模塊

該模塊的接口用于實現 PLC、變頻器與CAN 總線之間的數據傳輸，把采集到的采煤機運行參數和控制信號實時地發送到 CAN 總線，同時將接收到的各個信號利用RS485 總線傳送到 PLC；并且該模塊還將變頻器的各項運行數據定時地傳送給 PLC。

調速系統的硬件電路與軟件功能

本文提出的系統采用 CAN 通信總線，該串行通信網絡具有實時提供數據流、能夠分散控制并且保密好的優點。該總線的通信媒介包括了光導纖維、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，是一種具備信號高速處理的單片機，內核采用了CIP-51，軟件程序開發采用標準的803x/805x匯編/編譯器。該CPU 具有2 個全雙UART、5 個16位的定時/計數器、256B 的RAM 以及128B 的特殊功能寄存器。溫度測量模塊用于實時測量牽引電機和截割電機的溫度。把每一個截割電機和牽引電機都安裝一個PT100。該溫度傳感器能夠顯示電機工作溫度。電流信號檢測模塊主要用于測量截割電動機的工作電流，并能夠將當前工作電流信號傳送到CAN 總線，最終傳送給PLC，PLC 根據當前的工作電流值發出相應的反饋控制信號。電流互感器以及變送器主要完成截割電機的電流/電壓轉換功能，最終變成 0～10V 范圍的電壓信號，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，作為采煤機控制的后備保護。

結束語

本文首先闡述了電牽引采煤機基于恒功率下的調速控制理論，據此給出了采煤機調速控制系統的系統結構和各個功能模塊，為優化采煤機工作系統提供了新的設計理念。本文僅對電牽引采煤機在恒功率工作下的調速控制系統做一些改善，主要是為了提高工作人員的工作效率和降低危險度，相信能為后續研制高度智能和無人化的新一代采煤機提供一定的參考。