張文平

摘 要：本文以馬蘭礦18509綜采工作面為研究背景，對(duì)面向智能化工作面的電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)的硬件以及控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)采煤機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在智能化控制時(shí)，能實(shí)時(shí)根據(jù)煤層建模數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)出下一刀的采煤機(jī)搖臂的調(diào)高軌跡，并通過(guò)搖臂的截割軌跡和設(shè)置的采煤工藝實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)截割控制。

關(guān)鍵詞：智能化工作面;采煤機(jī);截割軌跡;自動(dòng)截割控制

煤礦領(lǐng)域?yàn)轫憫?yīng)國(guó)家“機(jī)械化換人、智能化減人”的戰(zhàn)略，掀起了新一輪煤礦井下工作面智能化開(kāi)采的技術(shù)革命。為此，諸多學(xué)者開(kāi)展過(guò)研究，張旭輝[1]針對(duì)現(xiàn)有采煤機(jī)控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理、遠(yuǎn)程監(jiān)控及智能控制算法集成等方面難以滿足工作面智能化控制需求的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種面向智能化工作面的電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)自動(dòng)截割控制、采煤工藝變化及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。索智文[2]通過(guò)分析綜采工作面智能化發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)采煤機(jī)記憶割煤、支架跟機(jī)智能化、煤巖識(shí)別等技術(shù)的應(yīng)用情況及存在問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了綜采工作面高速傳輸無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳輸、采煤機(jī)模糊判斷和自適應(yīng)割煤、支架高級(jí)跟機(jī)智能化、工作面實(shí)景成像、工作面自動(dòng)校直等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)面向智能化工作面的電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，為智能化工作面的實(shí)現(xiàn)提供了參考。

1 智能化綜采工作面采煤機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，智能化綜采工作面中采煤機(jī)搖臂調(diào)高系統(tǒng)和牽引機(jī)的牽引速度是實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵，為此，本文將通過(guò)采煤機(jī)的控制、監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)分析采煤機(jī)電控性能，構(gòu)建智能化工作面的電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。

本文對(duì)采煤機(jī)的控制系統(tǒng)和智能計(jì)算系統(tǒng)分別進(jìn)行了計(jì)算，以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)各控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性，提高程序運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。采煤機(jī)系統(tǒng)硬件框架圖如圖1所示，系統(tǒng)中，采用雙DSP處理器為架構(gòu)，通過(guò)DSP/BIOS操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行采煤機(jī)的監(jiān)測(cè)和控制，滿足主機(jī)以及目標(biāo)系統(tǒng)通信的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的任務(wù)調(diào)度。在該系統(tǒng)中，主DSP主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出輸入功能，同時(shí)完成控制決策以及數(shù)字量的采集、輸入、輸出和通信系統(tǒng)的通信功能;通過(guò)總線將采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程的工況行為傳遞給上機(jī)位，隨后發(fā)出命令通知控制采煤機(jī)的運(yùn)行;系統(tǒng)的計(jì)算中，使用F28335單元浮點(diǎn)運(yùn)算法，編寫(xiě)采煤機(jī)牽引速度、截割高度的算法，算法彌補(bǔ)了常規(guī)小數(shù)處理耗費(fèi)時(shí)間多且較多的人力投入，提高了效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與控制器的兼容問(wèn)題，壓縮軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間并提升整體性能。

2 采煤機(jī)電控系統(tǒng)工作原理

采煤機(jī)的電控系統(tǒng)主要采用雙DSP 2812，其工作原理是采用雙DSP對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的物理參數(shù)以及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析處理，采煤機(jī)的位置、工作過(guò)程中實(shí)時(shí)的電流電壓、液壓系統(tǒng)的壓力、溫度等參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)處理輸出后可以判斷采煤機(jī)的行走以及截割等動(dòng)作，同時(shí)，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)以及通信功能都由主DSP完成。監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)由TMS320F2812采集并及進(jìn)行計(jì)算處理，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果得到采煤機(jī)所在的位置、機(jī)身與水平面的夾角，以及搖臂的高度狀態(tài)，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)傳送至順槽遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，由顯示系統(tǒng)顯示采煤機(jī)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，工人可根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)采煤機(jī)的工作狀態(tài)并進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作。同時(shí)，主DSP將采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中電壓電流、溫度以及煤層信息發(fā)給輔助 DSPTMS320F28335，從而進(jìn)行基于電流的采煤機(jī)負(fù)載運(yùn)行、速度控制、搖臂高度以及電機(jī)的故障預(yù)測(cè)等功能，結(jié)合相關(guān)的算法，將處理結(jié)果發(fā)送至主DSP TMS320F2812，完成對(duì)采煤機(jī)的監(jiān)測(cè)控制功能。值得注意的是，采煤機(jī)的監(jiān)控需保證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性，才能保證采煤機(jī)的正常運(yùn)行。

3 采煤機(jī)電控系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證

馬蘭礦為檢驗(yàn)采煤機(jī)電控系統(tǒng)的可靠性，對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，采煤機(jī)控制試驗(yàn)平臺(tái)主要由DSP控制器、GOT觸摸屏和遙控接收器等組成。DSP控制器控制器主要包括主DSP TMS320F2812和輔DSP TMS320F28335，除此之外，輸入接口、輸出接口、數(shù)據(jù)傳送接口以及相關(guān)的擴(kuò)展電路都屬于控制器系統(tǒng);GOT觸摸屏，主要作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示功能，通過(guò)RS323串口連接顯示;FYS30遙控接收器，必須采用安全的防爆裝置。采煤機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂脙膳_(tái)功率相同的變頻器控制采煤機(jī)的行走，液壓系統(tǒng)則負(fù)責(zé)控制采集機(jī)搖臂的行走，模型本身的控制器為PLC，試驗(yàn)中，將PLC段的輸出口與DSP的輸入端相連，機(jī)身的位移以及角度采用安裝在機(jī)身的光電編碼器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，機(jī)身運(yùn)行過(guò)程中溫度、電流以及機(jī)身傾角等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傳感器獲得。

在試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，得到采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)速測(cè)試結(jié)果，結(jié)果如圖2所示，從輸入電流和變頻器頻率隨時(shí)間的變化曲線中可以看出，黑色曲線即模擬輸入電流曲線為參考曲線，DSP控制程序?qū)⒅芷诤瘮?shù)模擬的信號(hào)傳遞給調(diào)速控制程序，圖中兩條虛線分別為電流上閾值和電流下閾值。綠色曲線則為變頻器的頻率變化曲線，可以得到，當(dāng)模擬輸入電流高于電流上閾值時(shí)，采煤機(jī)的牽引速度自動(dòng)降低，當(dāng)模擬輸入電流低于電流下閾值時(shí)，采煤機(jī)的牽引速度自動(dòng)提高，當(dāng)輸入電流值介于上下閾值時(shí)，采煤機(jī)按照正常速度運(yùn)行，從圖中可以看出，輸入電流在80-120s以及140-160s時(shí)，因?yàn)檩斎腚娏髟黾?，變頻器出現(xiàn)兩次降速處理，輸入電流在40-60s以及130-150s時(shí)，因?yàn)檩斎腚娏鳒p少，變頻器出現(xiàn)兩次提速處理，可以看出，變頻器對(duì)于采煤機(jī)的調(diào)速極其敏感，能起到很好的調(diào)速功能。

自動(dòng)調(diào)高控制測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，以實(shí)際煤層數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，采用一比一縮小的方式，橫坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)取30個(gè)更準(zhǔn)確的表示搖臂的運(yùn)行軌跡，得到圖3所示的采煤機(jī)搖臂高度與采煤機(jī)位置的關(guān)系圖，圖中黑色曲線代表煤層建模高速，紅色曲線表示搖臂預(yù)測(cè)軌跡。從圖中可以看出，搖臂的軌跡基本與煤層建模高度相符，在設(shè)備運(yùn)行開(kāi)始以及結(jié)束時(shí)，即采煤機(jī)當(dāng)前位置為2.4m和4m時(shí)，預(yù)測(cè)軌跡和煤層建模高度有高度差，最大差為0.07cm，基本不影響生產(chǎn)的進(jìn)行，在整個(gè)運(yùn)行軌跡中，基本實(shí)現(xiàn)了與煤層建模高度的吻合，能夠?qū)崿F(xiàn)工作面采煤機(jī)的智能化控制。

4 結(jié)論

本文通過(guò)針對(duì)面向智能化工作面的電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)采煤機(jī)的硬件以及控制系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，得到了系統(tǒng)控制的總體方案，在方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到采煤機(jī)自動(dòng)控制時(shí)，變頻器頻率能及時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)牽引速度的控制，并通過(guò)對(duì)煤層建模高度和搖臂的軌跡預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的自動(dòng)截割控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]張旭輝，姚闖，劉志明，趙友軍.面向智能化工作面的電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦智能化，2017（04）：1-5.

[2]索智文.煤礦綜采工作面無(wú)人化開(kāi)采技術(shù)研究[J].工礦智能化，2017（1）：22-26.