劉福平

（山西焦煤西山煤電公司官地礦綜安區(qū)， 山西 太原 030022）

引言

采用更高自動(dòng)化的采煤機(jī)械設(shè)備可以解放工作危險(xiǎn)性大、工作量大的井下作業(yè)人員，實(shí)現(xiàn)井下無(wú)人開(kāi)采，保障煤礦的安全生產(chǎn)，同時(shí)集成傳感檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用到煤礦生產(chǎn)中，保障煤礦設(shè)備的可靠運(yùn)行，保證煤礦的連續(xù)正常生產(chǎn)[1]。因此，提高采煤機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平是目前采煤作業(yè)的的必然趨勢(shì)。

1 電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，采煤機(jī)控制系統(tǒng)的核心控制器主要是可編程控制器（PLC）和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）兩種。目前，國(guó)內(nèi)煤礦礦井中運(yùn)行的采煤機(jī)的控制部分基本上都是以PLC為主。但是以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)通信時(shí)需另外增加通信模塊，且通訊速度無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速的實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)在編制控制算法上存在一定的難度，不能很好地滿足對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能要求和采煤生產(chǎn)自動(dòng)化的需求。DSP的外設(shè)功能比較強(qiáng)大，具有很好的擴(kuò)展性，能夠滿足不同的功能需求，同時(shí)還具備設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)通信的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。另外，DSP最突出的一塊是其具有非常強(qiáng)大的的信息處理模塊，能夠?qū)軓?fù)雜的算法進(jìn)行高速運(yùn)算處理[2]。

有關(guān)于采煤機(jī)控制方面的研究，在目前的國(guó)內(nèi)外科研院所及企業(yè)方面的科研人員一直嘗試著各種努力，尤其是自動(dòng)化控制方面，以減少人員作業(yè)或無(wú)人作業(yè)為目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行理論和實(shí)踐方面的多次探究和探索。針對(duì)采煤機(jī)控制方面的運(yùn)行狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集、傳遞和遠(yuǎn)控，需要研制出更高自動(dòng)化水平的電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)，以滿足煤礦采煤工作面的自動(dòng)化需求[3]。

2 電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)需求分析

目前，煤礦主要是以滾筒式電牽引采煤機(jī)為主，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，組成部分主要有牽引部、截割部以及電控部分等三大部分。牽引部主要是由兩個(gè)牽引電機(jī)組成，用來(lái)作為采煤機(jī)移動(dòng)的動(dòng)力源；截割部是采煤機(jī)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由左右雙滾筒、搖臂、截割電機(jī)等組成，搖臂的功能設(shè)置主要是用來(lái)對(duì)采煤機(jī)的采煤高度進(jìn)行調(diào)整，截割電機(jī)主要是用來(lái)調(diào)整采煤機(jī)的采煤速度，在滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程將煤割下來(lái)；其中電控部分為采煤機(jī)的主要控制系統(tǒng)，是用來(lái)完成對(duì)采煤機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作的控制，并將集成的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的運(yùn)行狀況。

圖1 雙滾筒電牽引采煤機(jī)結(jié)構(gòu)圖

電牽引采煤機(jī)的控制系統(tǒng)主要是用來(lái)完成對(duì)采煤機(jī)移動(dòng)、割煤的控制以及采煤機(jī)運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種能夠滿足煤礦采煤自動(dòng)化作業(yè)要求的采煤機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)需具備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采煤的自動(dòng)控制、對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集以及能夠?qū)Σ擅簷C(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

2.1 控制系統(tǒng)核心功能

采煤機(jī)具有能夠?qū)Σ杉降男盘?hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理的能力，可以對(duì)復(fù)雜算法進(jìn)行運(yùn)算處理，接口功能強(qiáng)大，具有很好地適應(yīng)擴(kuò)展性。

2.2 自動(dòng)控制功能

對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，需滿足以下幾部分功能的實(shí)現(xiàn)：搖臂高度的自動(dòng)調(diào)節(jié)、牽引部分對(duì)采煤機(jī)移動(dòng)速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)、采煤工藝的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)以及采煤機(jī)工況數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和采煤機(jī)的運(yùn)行過(guò)程保護(hù)。

自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)主要是利用傳感器技術(shù)，在采煤機(jī)的幾個(gè)關(guān)鍵位置設(shè)置合適的傳感器，通過(guò)傳感器采集相應(yīng)運(yùn)行過(guò)程和運(yùn)行狀態(tài)的信息數(shù)據(jù)，將采集到的信息反饋到控制中心后對(duì)其進(jìn)行分析處理，然后通過(guò)控制器中的先進(jìn)控制算法進(jìn)行快速運(yùn)算處理，與設(shè)定參數(shù)比對(duì)得出結(jié)果，接著輸出指令使采煤機(jī)按照要求運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。比如采煤機(jī)搖臂的高度調(diào)整，首先是計(jì)算出搖臂的運(yùn)行軌跡，再將采集到的搖臂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)高度信息與要求的軌跡線進(jìn)行比較，進(jìn)而輸出合適指令控制搖臂的運(yùn)行；牽引調(diào)速是根據(jù)割煤速率運(yùn)算后得到合適的采煤機(jī)前進(jìn)速度。采煤工藝的自動(dòng)控制是根據(jù)采集到的工作面地質(zhì)環(huán)境條件信息，對(duì)不同的采煤工藝進(jìn)行重新組合排序，以適應(yīng)當(dāng)前礦井的作業(yè)環(huán)境。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

遠(yuǎn)程監(jiān)控具備的功能：其一主要是對(duì)采煤機(jī)采煤作業(yè)運(yùn)行過(guò)程的設(shè)備狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)時(shí)傳遞到地面的控制平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。其二就是遠(yuǎn)程監(jiān)控部分可以將采煤機(jī)控制系統(tǒng)指令進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程控制。

3 電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)總改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)采煤機(jī)控制過(guò)程的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)與可擴(kuò)展性功能，在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)將系統(tǒng)的控制與智能算法運(yùn)算分成兩個(gè)部分，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率以保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。因此，該控制系統(tǒng)以雙DSP處理器為基礎(chǔ)，把DSP/BIOS作為實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能模塊主要有：信息采集模塊、實(shí)時(shí)傳輸通訊模塊、輸入輸出控制模塊、主控制自動(dòng)化功能模塊、采煤工藝適應(yīng)性自動(dòng)選擇功能模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊。硬件組成結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

主DSP采用TI公司定點(diǎn)DSPTMS320F2812，是主要控制部分，用來(lái)實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：數(shù)字量信息和模擬量模塊輸入輸出數(shù)據(jù)信息的采集與傳送；遠(yuǎn)程監(jiān)控通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)CAN總線方式傳遞采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)到上位機(jī)，同時(shí)還能將上位機(jī)控制指令傳遞用以控制采煤機(jī)運(yùn)行；輔DSP采用TMS320F28335型浮點(diǎn)DSP主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)算法運(yùn)算處理，輔DSP能夠高速運(yùn)算處理采煤機(jī)自適應(yīng)牽引速度、搖臂高度軌跡等控制算法，效率高且兼容性好。主輔DSP之間通過(guò)SPI總線方式可實(shí)現(xiàn)通信。

3.2 智能控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

以雙DSP為基礎(chǔ)的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)主要從以下幾方面著手進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

DSP將采集采煤機(jī)機(jī)身動(dòng)作狀態(tài)位置信息進(jìn)行分析算法處理，獲得采煤機(jī)在工作面的位置；并將運(yùn)算結(jié)果傳遞到遠(yuǎn)程監(jiān)控部分。同時(shí)主DSP將電機(jī)電流、溫度以及煤層建模數(shù)據(jù)發(fā)給輔DSP，進(jìn)行算法運(yùn)算處理，再把運(yùn)算結(jié)果傳送返回給主DSP，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的控制。系統(tǒng)功能控制原理圖如圖3所示

圖3 系統(tǒng)功能控制原理圖

4 結(jié)語(yǔ)

由于以PLC為基礎(chǔ)的采煤機(jī)控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理能力、通信等方面無(wú)法滿足當(dāng)前工作面自動(dòng)化控制需求，因此提出以雙DSP為基礎(chǔ)的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。為了滿足采煤機(jī)控制過(guò)程的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)與可擴(kuò)展性功能，在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)作將系統(tǒng)的控制模塊與算法運(yùn)算模塊進(jìn)行分開(kāi)設(shè)計(jì)的考慮，以提高采煤運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)控制方面的運(yùn)行狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集與傳遞、遠(yuǎn)控，為采煤機(jī)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步研究改進(jìn)提供參考和指出方向。

[1]周元華.薄煤層電牽引采煤機(jī)智能控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

[2]張旭輝，姚闖，劉志明，等.面向自動(dòng)化工作面的電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自化，2017（4）：1-5.

[3]夏洪波.基于DSP的電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西安科技大學(xué)，2015.