基于DSP的電牽引采煤機電控系統設計

王粉 燕云龍

山東能源重裝集團中礦采煤機制造有限公司 山東新泰 271222

面對自動化、信息化、智能化發展趨勢，煤礦要實現高質量發展，就必須牢牢把握數字經濟變革的新時代機遇。西山煤電屯蘭礦為響應“機械化換人、自動化減人、智能化無人”的綠色智慧礦山建設目標，推動22301自動化工作面的建設。智能化工作面的建設主要是實現綜采工作面采煤機、刮板輸送機、液壓支架等設備的智能化一鍵啟動、采煤機的記憶割煤、自動跟機、視頻監控等功能運行正常，達到綜采機械化設備的遠程協同控制。為此，國內諸多學者展開過相關研究，高梅以DSP為核心設計電牽引采煤機遠程監控系統，實現對采煤機的遠程監控、自動截割控制和采煤工藝變化功能。董蘊華，鄭先鋒通基于DSP技術的煤礦安全遠程監控系統的設計，給出了系統的結構模型，重點對采煤機記憶割煤、支架跟機智能化和煤巖識別技術的進行研究，并通過CAN總線布設實現遠程監控。本文結合以往研究成果，對智能化綜采工作面的電牽引采煤機遠程控制系統進行設計研究，為智慧礦山建設提供了參考與借鑒。

1 電牽引采煤機電氣控制系統方案

在機械化采煤過程中，電牽引采煤機是綜采工作面的關鍵設備，通過多電機傳動控制使采煤機在復雜的工況條件下實現截割、牽引、調高等多工位協調。顯然，為保證電牽引采煤機在不同工況條件下都能可靠、穩定和高效地運行，電控系統需要確保采煤機各執行機構嚴格響應主控制器指令，在線監測顯示系統和設備運行狀況，實時處理傳感器測量信號。考慮到電牽引采煤機復雜的運行工況和系統構成，采用S7-300PLC為主控制器、DSP為從控制器的電控系統總體方案。主控制器S7-300PLC為采煤機提供成熟的監控架構，利用通用的輸入、輸出端口和標準的通信模塊接入采煤機執行機構和傳感器等部件，既降低開發周期和成本，便于后續功能擴展，又方便對整體系統進行維護。從控制器TMS320F2812DSP為S7-300PLC的監測信號搭建高速運算和處理平臺，降低PLC主程序內數據塊的復雜度，利用智能算法在DSP中給出優化的截割與調高數據，配合PLC預制的程序輸出控制信號，提高采煤機對各種復雜生產工況的適應能力。電控系統分別利用遠程計算機、現場的主監控臺和左右操作站、手持無線電遙控等方式控制采煤機，考慮綜采工作面連續截煤等生產需求，規劃配備高壓電氣箱、低壓配電箱、S7-300PLC+DSP控制箱和變頻器箱，方便對電控系統進行有序維護管理。S7-300PLC+DSP控制平臺監測高低壓配電（變壓器、隔離開關、真空接觸器）、機械傳動（截割、牽引和破碎）、液壓傳動（調高）和噴霧冷卻等系統狀態，在截煤過程中調節牽引功率、左右搖臂高度、滾筒高度等，使允許的截割電機帶載能力與最優的截煤生產效率平衡。

2 基于DSP的電牽引采煤機電控系統設計

2.1 采煤機電控系統工作原理

電牽引采煤機的電控系統以DSP為核心，通過對采煤機運行的物理參數以及運行參數進行監測分析處理，采煤機的位置、工作過程中實時的電流電壓、液壓系統的壓力、溫度等參數數據經過監測，數據處理輸出后可以判斷采煤機的行走以及截割等動作，同時，設備之間的數據以及通信功能都由主DSP完成。監測得到的數據由TMS320F2812采集并進行計算處理，根據計算的結果得到采煤機所在的位置、機身與水平面的夾角，以及搖臂的高度狀態，計算得到的數據傳送至順槽遠程監控平臺，由顯示系統顯示采煤機的監測數據結果，工人可根據監測結果以及實踐經驗預測采煤機的工作狀態進行相關的動作。同時，主DSP將采煤機運行過程中電壓電流、溫度以及煤層信息發給輔助DSP，從而進行基于電流的采煤機負載運行、速度控制、搖臂高度以及電機的故障預測等功能，結合相關的算法，將處理結果發送至主機控制單元，實現對采煤機的遠程監控。

2.2 采煤機遠程監控系統的關鍵技術

采煤機位置和姿態測試。采煤機的位置和姿態信息不僅包括采煤機在工作面中的位置、速度和姿態角，還包括采煤機的滾筒高度。通常的位置檢測方法有齒輪計數法、紅外輻射法、紅外測距法和超聲波測距法，安裝在采煤機機身上的角度傳感器用于采煤機沿工作面姿態的檢測。SINS是一種自主導航系統，其數據更新率高、短期精度高和穩定性好，廣泛應用于航空航天、航空、海洋和其他領域。該方法以ADXL330為主軸，沿3軸測量3個線性加速度，以3個ADXRS150為主軸，在采煤機體坐標下繞3個軸測量3個旋轉角速度。另外，通過測量升降缸的位移可以得到滾筒高度。該方法可以同時檢測采煤機在工作面內的位置、姿態角、速度和滾筒高度，滿足了控制系統的要求。基于工作模式的采煤機控制策略。采煤機自動截割的難點在于其牽引速度，根據截割阻力和煤巖界面調整滾筒高度，并保持恒功率截割。根據采煤機的工作負荷，將采煤機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控制策略：在截煤時刻，通過調整滾筒高度來跟蹤截煤路徑，同時根據恒功率控制方式來調整運輸速度，采煤機在采煤過程中承受著巨大的沖擊載荷，沖擊載荷會對滾筒鎬和機械部件造成損傷，因此，必須立即降低運輸速度，并進行人工干預。上述控制策略的關鍵是煤巖界面識別。由于影響切削負荷的主要因素是切削電機電流和運輸速度，以及二者之間的非線性關系.因此，采用RBF神經網絡分析了切削電機電流和運輸速度變化對切削負荷的影響。建立的RBF神經網絡有2個輸入層節點，1個輸出層節點，10個隱含層節點，RBF函數應用高斯函數。經過培訓，可以根據牽引速度和切削電機電流確定采煤機的工作方式。

3 結語

本文以DSP為主控制器，設計了電牽引采煤機的遠程控制系統，由于煤礦井下作業環境復雜保證數據信號傳輸的準確性，采用分布式CAN總線方案，提升抗干擾能力；同時通過無線傳感網絡，降低后期的數據線鋪設成本，實現對電牽引采煤機的遠程集約化管理。為驗證效果，屯蘭礦在22301工作面為采煤機進行試驗，試驗得知變頻器頻率能及時實現對采煤機牽引速度的控制，并通過對煤層建模高度和搖臂的軌跡預測實現了電牽引采煤機的遠程智能化操控。