基于DSP的电牵引采煤机电控系统设计

王粉 燕云龙

山东能源重装集团中矿采煤机制造有限公司 山东新泰 271222

面对自动化、信息化、智能化发展趋势，煤矿要实现高质量发展，就必须牢牢把握数字经济变革的新时代机遇。西山煤电屯兰矿为响应“机械化换人、自动化减人、智能化无人”的绿色智慧矿山建设目标，推动22301自动化工作面的建设。智能化工作面的建设主要是实现综采工作面采煤机、刮板输送机、液压支架等设备的智能化一键启动、采煤机的记忆割煤、自动跟机、视频监控等功能运行正常，达到综采机械化设备的远程协同控制。为此，国内诸多学者展开过相关研究，高梅以DSP为核心设计电牵引采煤机远程监控系统，实现对采煤机的远程监控、自动截割控制和采煤工艺变化功能。董蕴华，郑先锋通基于DSP技术的煤矿安全远程监控系统的设计，给出了系统的结构模型，重点对采煤机记忆割煤、支架跟机智能化和煤岩识别技术的进行研究，并通过CAN总线布设实现远程监控。本文结合以往研究成果，对智能化综采工作面的电牵引采煤机远程控制系统进行设计研究，为智慧矿山建设提供了参考与借鉴。

1 电牵引采煤机电气控制系统方案

在机械化采煤过程中，电牵引采煤机是综采工作面的关键设备，通过多电机传动控制使采煤机在复杂的工况条件下实现截割、牵引、调高等多工位协调。显然，为保证电牵引采煤机在不同工况条件下都能可靠、稳定和高效地运行，电控系统需要确保采煤机各执行机构严格响应主控制器指令，在线监测显示系统和设备运行状况，实时处理传感器测量信号。考虑到电牵引采煤机复杂的运行工况和系统构成，采用S7-300PLC为主控制器、DSP为从控制器的电控系统总体方案。主控制器S7-300PLC为采煤机提供成熟的监控架构，利用通用的输入、输出端口和标准的通信模块接入采煤机执行机构和传感器等部件，既降低开发周期和成本，便于后续功能扩展，又方便对整体系统进行维护。从控制器TMS320F2812DSP为S7-300PLC的监测信号搭建高速运算和处理平台，降低PLC主程序内数据块的复杂度，利用智能算法在DSP中给出优化的截割与调高数据，配合PLC预制的程序输出控制信号，提高采煤机对各种复杂生产工况的适应能力。电控系统分别利用远程计算机、现场的主监控台和左右操作站、手持无线电遥控等方式控制采煤机，考虑综采工作面连续截煤等生产需求，规划配备高压电气箱、低压配电箱、S7-300PLC+DSP控制箱和变频器箱，方便对电控系统进行有序维护管理。S7-300PLC+DSP控制平台监测高低压配电（变压器、隔离开关、真空接触器）、机械传动（截割、牵引和破碎）、液压传动（调高）和喷雾冷却等系统状态，在截煤过程中调节牵引功率、左右摇臂高度、滚筒高度等，使允许的截割电机带载能力与最优的截煤生产效率平衡。

2 基于DSP的电牵引采煤机电控系统设计

2.1 采煤机电控系统工作原理

电牵引采煤机的电控系统以DSP为核心，通过对采煤机运行的物理参数以及运行参数进行监测分析处理，采煤机的位置、工作过程中实时的电流电压、液压系统的压力、温度等参数数据经过监测，数据处理输出后可以判断采煤机的行走以及截割等动作，同时，设备之间的数据以及通信功能都由主DSP完成。监测得到的数据由TMS320F2812采集并进行计算处理，根据计算的结果得到采煤机所在的位置、机身与水平面的夹角，以及摇臂的高度状态，计算得到的数据传送至顺槽远程监控平台，由显示系统显示采煤机的监测数据结果，工人可根据监测结果以及实践经验预测采煤机的工作状态进行相关的动作。同时，主DSP将采煤机运行过程中电压电流、温度以及煤层信息发给辅助DSP，从而进行基于电流的采煤机负载运行、速度控制、摇臂高度以及电机的故障预测等功能，结合相关的算法，将处理结果发送至主机控制单元，实现对采煤机的远程监控。

2.2 采煤机远程监控系统的关键技术

采煤机位置和姿态测试。采煤机的位置和姿态信息不仅包括采煤机在工作面中的位置、速度和姿态角，还包括采煤机的滚筒高度。通常的位置检测方法有齿轮计数法、红外辐射法、红外测距法和超声波测距法，安装在采煤机机身上的角度传感器用于采煤机沿工作面姿态的检测。SINS是一种自主导航系统，其数据更新率高、短期精度高和稳定性好，广泛应用于航空航天、航空、海洋和其他领域。该方法以ADXL330为主轴，沿3轴测量3个线性加速度，以3个ADXRS150为主轴，在采煤机体坐标下绕3个轴测量3个旋转角速度。另外，通过测量升降缸的位移可以得到滚筒高度。该方法可以同时检测采煤机在工作面内的位置、姿态角、速度和滚筒高度，满足了控制系统的要求。基于工作模式的采煤机控制策略。采煤机自动截割的难点在于其牵引速度，根据截割阻力和煤岩界面调整滚筒高度，并保持恒功率截割。根据采煤机的工作负荷，将采煤机的工作方式分为切煤和切岩两种，提出了一种基于工作方式的采煤机控制策略：在截煤时刻，通过调整滚筒高度来跟踪截煤路径，同时根据恒功率控制方式来调整运输速度，采煤机在采煤过程中承受着巨大的冲击载荷，冲击载荷会对滚筒镐和机械部件造成损伤，因此，必须立即降低运输速度，并进行人工干预。上述控制策略的关键是煤岩界面识别。由于影响切削负荷的主要因素是切削电机电流和运输速度，以及二者之间的非线性关系.因此，采用RBF神经网络分析了切削电机电流和运输速度变化对切削负荷的影响。建立的RBF神经网络有2个输入层节点，1个输出层节点，10个隐含层节点，RBF函数应用高斯函数。经过培训，可以根据牵引速度和切削电机电流确定采煤机的工作方式。

3 结语

本文以DSP为主控制器，设计了电牵引采煤机的远程控制系统，由于煤矿井下作业环境复杂保证数据信号传输的准确性，采用分布式CAN总线方案，提升抗干扰能力；同时通过无线传感网络，降低后期的数据线铺设成本，实现对电牵引采煤机的远程集约化管理。为验证效果，屯兰矿在22301工作面为采煤机进行试验，试验得知变频器频率能及时实现对采煤机牵引速度的控制，并通过对煤层建模高度和摇臂的轨迹预测实现了电牵引采煤机的远程智能化操控。