基于DSP的電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘亮飛

（山西壽陽(yáng)潞陽(yáng)昌泰煤業(yè)有限公司，山西 壽陽(yáng) 045414）

引言

采煤機(jī)作為井下煤礦生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿υO(shè)備，其控制流程安全性和工作穩(wěn)定性關(guān)系著煤炭企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)效率，隨著現(xiàn)代科技和信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，各種信息電子設(shè)備在煤礦生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，極大地提高了設(shè)備電控性能，DSP及電子信息技術(shù)的應(yīng)用，使設(shè)備的智能化和可控性增強(qiáng)，并且可以有效監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況，有利于系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)、判斷、排除故障，保證煤炭生產(chǎn)的順利運(yùn)行。同時(shí)，設(shè)備采用DSP核心技術(shù)，使其電子控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性和處理數(shù)據(jù)能力大幅提升，保證采煤機(jī)在井下復(fù)雜環(huán)境下生產(chǎn)的運(yùn)行以及數(shù)據(jù)處理需求，提高了電控操控系統(tǒng)工作效率，進(jìn)而使開(kāi)采效率得到進(jìn)一步提高。

1 采煤機(jī)工作特點(diǎn)

在煤炭生產(chǎn)中采煤機(jī)作為重要的開(kāi)采設(shè)備，具有功率大、應(yīng)用廣泛、工作效率高等特點(diǎn)。該設(shè)備按結(jié)構(gòu)可分為截割系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及液壓調(diào)高系統(tǒng)等部分，各部功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)電子控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制來(lái)達(dá)到的。采煤機(jī)電控應(yīng)用系統(tǒng)的控制范圍包括控制升降左右搖臂、控制電機(jī)左右截割、牽引左右變頻器及電機(jī)、實(shí)時(shí)采集牽引和截割部分運(yùn)行狀態(tài)信息，并通過(guò)以太網(wǎng)將監(jiān)測(cè)信息傳送至控制處理中心，有效預(yù)防設(shè)備故障[1]。

2 采煤機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本論文主要對(duì)電牽引采煤電機(jī)進(jìn)行分析和研究，該電機(jī)采用了DSP控制器，研究的主要內(nèi)容包括實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、控制操作系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)等部分。其中監(jiān)控系統(tǒng)主要分為采集信息、處理信息以及報(bào)警配置；控制操作系統(tǒng)主要包括對(duì)牽引和截割兩部分進(jìn)行控制；遠(yuǎn)程控制操作系統(tǒng)主要包括CAN的接口設(shè)計(jì)及通信程序軟件等。電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1。

圖1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 采煤機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本論文設(shè)計(jì)研發(fā)的采煤機(jī)采用DSP作為控制核心，其型號(hào)為TMS320F2812系列，目前，DSP在工業(yè)領(lǐng)域被普遍應(yīng)用，并以其安全穩(wěn)定的性能受到用戶認(rèn)可[2]。DSP具有更快的處理能力和處理速度，最高可達(dá)ns級(jí)。DSP運(yùn)行時(shí)的電壓為：I/O與Flash為3.3 V，內(nèi)核為1.8 V，有效降低了芯片的功耗。DSP具備56個(gè)通用的可重復(fù)應(yīng)用的編程引腳GPIO，能夠保證采煤機(jī)擴(kuò)展開(kāi)發(fā)電子控制系統(tǒng)的軟件需求。

該系統(tǒng)在對(duì)采煤機(jī)電機(jī)運(yùn)行電流狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，使用RS-485協(xié)議實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與控制器通訊之間遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)信息傳輸，采用三菱GOT1000型觸摸屏，屏上能夠?qū)Σ擅簷C(jī)運(yùn)行狀態(tài)、變頻器運(yùn)行狀態(tài)、截割機(jī)運(yùn)行電流等工作運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)芯片CPLD控制牽引電機(jī)，對(duì)CPLD接口進(jìn)行擴(kuò)展，使接口模塊體積得到縮減的同時(shí)提高抗震能力[3]。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 電流模擬信號(hào)的采集

采集如下頁(yè)圖2所示，輸入端的電流通過(guò)A_IN0流入，其大小為4～20 mA電流，電流經(jīng)過(guò)0.5 W電阻變?yōu)殡妷盒托盘?hào)，穩(wěn)壓二極管D14的作用一方面是防止峰值電壓損壞電路，另一方面是防止感應(yīng)電影響采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性。B8能夠有效減少電磁的干擾，使傳輸?shù)紸/D的信號(hào)精確、平穩(wěn)。

圖2 電流模擬信號(hào)的采集模塊

4.2 溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

溫度測(cè)量的主要內(nèi)容是要對(duì)牽引式變壓器和截割運(yùn)行電機(jī)的溫度變化進(jìn)行測(cè)量，如果電機(jī)的溫度過(guò)高，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到控制端，再對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析后選擇減少工作量或停機(jī)，以避免電機(jī)損壞。

讀取DS18B20溫度的主要方式是通過(guò)DQ引腳讀、寫(xiě)高低電平的時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)，為使DS18B20驅(qū)動(dòng)力得到增強(qiáng)，在其引腳上加裝上拉電阻，以確保讀、寫(xiě)全過(guò)程被可靠置低或置高，讀取溫度時(shí)首先進(jìn)行初始化程序，然后進(jìn)行讀、寫(xiě)的時(shí)序程序。時(shí)序程序的編寫(xiě)將控制主機(jī)作為主設(shè)備，單總線元件作為從設(shè)備使用，啟動(dòng)主機(jī)的時(shí)序作為一切命令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗紩r(shí)間，若從設(shè)備需要回傳數(shù)據(jù)，則要完成主機(jī)命令后才能再次開(kāi)啟時(shí)序接收[4]。

4.3 CPLD擴(kuò)展

當(dāng)牽引式采煤機(jī)工作運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)多種復(fù)雜的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，短時(shí)間內(nèi)完成巨大的數(shù)據(jù)量傳輸，這些參數(shù)包括加減牽引電機(jī)的運(yùn)行速度、上升和下降搖臂、監(jiān)測(cè)水及瓦斯流量、啟動(dòng)和停止截割電機(jī)等。DSP引腳無(wú)法滿足如此龐大的數(shù)字量處理，故此，采用CPLD芯片來(lái)完成對(duì)DSP的引腳擴(kuò)展。

4.4 光電隔離設(shè)計(jì)

在DSP各種數(shù)字量的采集處理中，電壓基本為12 V，其電壓的等級(jí)比GPIO引腳電壓3.3 V要高，所以，控制應(yīng)用系統(tǒng)需通過(guò)加裝隔離模塊將采集來(lái)的電量數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成DSP能夠接收和處理的數(shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)防止控制器受到任何高壓干擾。其中光電的隔離模塊選用TLP521-4型號(hào)，可實(shí)現(xiàn)四通道轉(zhuǎn)換電量，在設(shè)計(jì)DSP時(shí)，把GPIOD與GPI OF設(shè)為引腳輸入，可供32個(gè)管腳輸入。故此，TLP521-4型芯片的可用個(gè)數(shù)是8[5]。圖3為光電隔離電路。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 采煤機(jī)控制流程

圖3 光電隔離電路

根據(jù)對(duì)牽引式采煤機(jī)的研究分析可知，牽引控制系統(tǒng)的主要任務(wù)包括：送電、斷電、停止、加速、減速以及左、右牽引和松、抱閘等；截割控制系統(tǒng)主要任務(wù)包括啟動(dòng)和停止左右電機(jī)、升起和降下左右搖臂等。

牽引送電前提條件是：變壓器不能高于135℃，且水流量正常的情況下才能將“牽引送電”鍵按下，開(kāi)始送電。送電后牽引變頻器自動(dòng)檢測(cè)需要30 s，其間不能加以牽引或斷電。

牽引斷電前提條件是：變頻器發(fā)生故障或者勵(lì)磁完成，而且同時(shí)牽引已經(jīng)停止時(shí)，按下停止按鈕設(shè)備停止[6]。

左右牽引工作前提條件是：故障變頻器故障排除后或者變頻器勵(lì)磁完成后，按下左或右牽引運(yùn)行按鈕，實(shí)施左或右側(cè)牽引。

松閘的前提條件是：當(dāng)牽引送電或是開(kāi)始左牽/右牽，同時(shí)牽引的速度不是0時(shí)，在延時(shí)4.8 s后松閘。

牽引停止的前提條件是：將“牽停”鍵按下，停止?fàn)恳煌瑫r(shí)將“左牽”和“右牽”鍵按下，停止?fàn)恳蛔冾l器障礙，牽引停止；變壓器或電機(jī)的溫度超過(guò)155℃，且持續(xù)時(shí)間30 s，停止?fàn)恳煌咚沟臐舛瘸^(guò)限定值，或是斷電儀發(fā)出告警時(shí)停止?fàn)恳粻恳髁砍霈F(xiàn)不足，且持續(xù)時(shí)間60 s時(shí)停止?fàn)恳蛔冾l器電流輸出過(guò)大或是溫度過(guò)高時(shí)停止?fàn)恳恳谕Ｖ挂院螅俣葰w零，同時(shí)抱閘。

抱閘的前提條件是：停止?fàn)恳蛘咚俣葹榱恪?/p>

左/右截割電機(jī)的啟動(dòng)前提條件是：絕緣和水流量的監(jiān)測(cè)狀態(tài)正常，截割機(jī)左右溫度不超過(guò)155℃，這時(shí)將“左截啟”或是“右截啟”鍵按下完成電機(jī)的啟動(dòng)。左右兩機(jī)啟動(dòng)時(shí)間必須間隔6 s以上。

升降搖臂的前提條件是：將“左升”鍵按下，左搖臂開(kāi)始上升；將“左降”鍵按下，左搖臂開(kāi)始下降；將“右升”鍵按下，右搖臂上升；將“右降”鍵按下，右搖臂下降。

5.2 DSP程序的設(shè)計(jì)

DSP的程序設(shè)計(jì)選用按順序進(jìn)行掃描的方式，當(dāng)檢測(cè)狀態(tài)正常時(shí)對(duì)數(shù)字量模塊輸入掃描，掃描成功后進(jìn)入采煤機(jī)操作程序。該部分為采煤機(jī)主體程序，具體流程如下圖4所示。

圖4 軟件控制流程

當(dāng)采煤機(jī)因故障停止運(yùn)行，或發(fā)生重要部位損壞時(shí)，要先將采煤機(jī)停運(yùn)，詳細(xì)記錄故障時(shí)間及相關(guān)信息，當(dāng)采煤機(jī)處于故障狀態(tài)時(shí)，不可以自動(dòng)恢復(fù)。必須通過(guò)工作人員檢修，排除障礙后啟動(dòng)復(fù)位鍵才能重新啟動(dòng)采煤機(jī)程序[7]。

DSP無(wú)論是與主變頻器還是從變頻器數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，都需要將DSP作為主機(jī)，兩臺(tái)變頻器均為從機(jī)。只有變頻器處于ABB狀態(tài)時(shí)DSP才對(duì)其發(fā)出讀取指令，以時(shí)間間隔0.2 s的中斷式讀取方式從變頻器中獲取信息。觸摸式顯示屏自帶的寄存器與DSP的Modbus-RTU命令格式和通信參數(shù)一致，可以直接通訊。DSP通過(guò)CAN總線技術(shù)來(lái)完成與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)郵箱收到信息數(shù)據(jù)后，會(huì)產(chǎn)生中斷，由DSP對(duì)獲取的數(shù)據(jù)幀分析處理后，形成應(yīng)答幀，并完成遠(yuǎn)程發(fā)送。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)能夠?qū)SP中的采煤狀況信息進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取，通過(guò)分析向DSP下達(dá)控制指令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)工作運(yùn)行的有效控制。

6 結(jié)論

使用DSP作為采煤機(jī)的主控制器有利于系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)、判斷、排除故障，使其電子控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性和處理數(shù)據(jù)能力大幅提升，保證采煤機(jī)在井下復(fù)雜環(huán)境下的生產(chǎn)運(yùn)行以及處理數(shù)據(jù)需求，提高了電控操控系統(tǒng)工作效率，在硬件的設(shè)計(jì)上應(yīng)用了抗干擾優(yōu)異的電流信息采集電路，并設(shè)計(jì)了光電轉(zhuǎn)換隔離電路，從而確保了信號(hào)采集以及輸入的安全性，進(jìn)而對(duì)主板起到保護(hù)作用，在軟件上的設(shè)計(jì)采用DSP程序設(shè)計(jì)，利用CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及計(jì)算機(jī)通訊，從而使采煤機(jī)的工作性能大幅度提升。