田彥恒

（潞安化工集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 036000）

引言

采煤機(jī)作為煤炭采掘過程中的重要設(shè)備，其電氣控制過程的自動(dòng)化程度直接關(guān)系著采煤的效率和可靠性[1-2]。目前，服役的采煤機(jī)控制系統(tǒng)多采用PLC作為核心控制部件，其在數(shù)據(jù)處理方面存在運(yùn)算能力和靈活性均較差的問題[3-5]。DSP控制技術(shù)在數(shù)據(jù)處理過程中具有速度快、精度高的優(yōu)勢，近年來在控制領(lǐng)域取得了較為廣泛的應(yīng)用[6]。因此將DSP技術(shù)應(yīng)用于電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)具有很好的前景。

1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)的分析

目前使用的采煤機(jī)從結(jié)構(gòu)和功能角度進(jìn)行劃分通常包括牽引、截割、破碎、電控和輔助等部分，各部分功能的實(shí)現(xiàn)均離不開電控系統(tǒng)。本文就以某型號(hào)采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)為例對(duì)其結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行分析。該控制系統(tǒng)由主控制器控制并借助液晶顯示器顯示，運(yùn)用變頻調(diào)速和信號(hào)傳輸技術(shù)將控制指令傳輸至采煤機(jī)截割電機(jī)、牽引電機(jī)、破碎電機(jī)和姿態(tài)調(diào)整電機(jī)等，同時(shí)由多種采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測傳感器，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和保護(hù)功能。

2 采煤機(jī)電控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

基于采煤機(jī)電控系統(tǒng)分析結(jié)果，擬定了基于DSP的電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)總體方案，如圖1所示，該控制系統(tǒng)不僅具有控制和保護(hù)的功能，還具有對(duì)采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

圖1 采煤機(jī)控制系統(tǒng)圖

在該電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用DSP中央控制單元控制器作為主控模塊，采用DSP的通用I/O接口作為輸入/輸出接口，這種接口具有很好的兼容性，其中輸入的數(shù)字量信號(hào)包括控制按鈕指令、遙控接收器指令、數(shù)字量監(jiān)測信號(hào)等，輸出的數(shù)字量信號(hào)包括截割電機(jī)、搖臂、變頻器等動(dòng)作信號(hào)，通信接口主要涉及RS-232、RS-485、CAN總線等接口，控制信息顯示模塊功能的實(shí)現(xiàn)主要通過RS-232總線連接DSP與觸摸屏通信來完成，模擬信號(hào)輸入模塊連接各種信號(hào)采集傳感器，實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器信號(hào)的收集功能，遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊主要實(shí)現(xiàn)DSP控制器與遠(yuǎn)程控制主機(jī)的信息交換，其通信方式為CAN總線。

3 采煤機(jī)電控系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

主控模塊功能實(shí)現(xiàn)的核心部件是DSP控制芯片，為了保證功能實(shí)現(xiàn)過程的穩(wěn)定性和可靠性，選擇型號(hào)為TMS320C2812的DSP控制芯片作為采煤機(jī)的主控制器，簡稱F2812芯片，該芯片生產(chǎn)于美國德州儀器公司并且在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)通過擴(kuò)展F2812芯片，可很好地實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的對(duì)接，并且數(shù)據(jù)處理速度更快，同時(shí)F2812芯片集成了數(shù)字信號(hào)處理、精簡指令及計(jì)算、多種開發(fā)工具等，具有很好的功能擴(kuò)展性。

3.2 接口模塊

接口模塊涉及數(shù)字量接口和通信接口兩部分，數(shù)字量接口主要完成采煤機(jī)截割電機(jī)啟停、搖臂升降、牽引電機(jī)啟停與加減速等的控制，通信接口涵蓋DSP的所有通信線路，由于F2812自帶兩個(gè)串行通信接口，RS-232、RS-485以及CAN總線接口的設(shè)計(jì)就是靠F2812自帶的兩個(gè)串行通信接口和局部控制器完成的，這種通信接口的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)DSP控制器與顯示器、變頻器、遠(yuǎn)程主控的通信功能。

由于采煤機(jī)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，涉及的控制數(shù)字量信息較多，根據(jù)控制需要，采用CPLD對(duì)DSP控制器進(jìn)行數(shù)字量接口的擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)各種控制信息的采集與監(jiān)控。由于CPLD是一種高級(jí)復(fù)雜可編程邏輯器，在進(jìn)行DSP接口擴(kuò)展時(shí)不僅能夠減少接口模塊的空間需求，還能提高接口模塊的抗震性能。綜合上述控制功能，選擇型號(hào)為EMP240T100C5的CPLD控制器（屬于Altera公司的MAXIⅡ系列芯片）。

數(shù)字量接口對(duì)抗干擾性能要求較高，所以在與相關(guān)外部設(shè)備連接之前需要進(jìn)行光電隔離，此控制系統(tǒng)中選用型號(hào)為TLP521-4的光電耦合器件，之后通過配置相應(yīng)的總線接口電路，實(shí)現(xiàn)DSP通信接口與外圍相關(guān)設(shè)備之間的通信和邏輯關(guān)系的變換等功能。

3.3 顯示模塊

顯示模塊主要功能是完成人機(jī)交互、實(shí)時(shí)顯示采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、指導(dǎo)操作者作業(yè)。狀態(tài)顯示通過觸摸屏屏幕實(shí)現(xiàn)，為了保障觸摸屏的使用可靠性，選擇型號(hào)為GT12的觸摸屏（屬于三菱GOT1000系列）。基于采煤機(jī)各項(xiàng)工作參數(shù)，進(jìn)行觸摸屏界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)各個(gè)電機(jī)、變頻器、DSP控制參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。采用GTDesigner3作為三菱觸摸屏界面的設(shè)計(jì)軟件，能夠很好地完成采煤機(jī)監(jiān)測界面、運(yùn)行界面、故障界面和各種提示窗口的設(shè)計(jì)。監(jiān)測界面主要顯示采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，運(yùn)行界面顯示采煤機(jī)操作者所需的觀測數(shù)據(jù)，故障界面用于采煤機(jī)故障報(bào)錯(cuò)與提示。

DSP控制器與觸摸屏之間的通信，通過設(shè)置Modbus-RTU協(xié)議，采用RS-232接口完成，當(dāng)DSP接收到觸摸屏的命令時(shí)，DSP控制器內(nèi)部程序進(jìn)入中斷響應(yīng)，解析命令之后發(fā)出控制指令。

3.4 模擬量采集模塊

采煤機(jī)運(yùn)行過程中需要采集的模擬量涉及截割電機(jī)的電流和溫度、變壓器溫度、工作面瓦斯氣體的濃度等。采用型號(hào)為PT100的溫度傳感器檢測溫度，量程范圍為0～200℃；采用電流互感器對(duì)截割電機(jī)三相電流進(jìn)行檢測；采用瓦斯傳感器與瓦斯斷電儀對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，當(dāng)瓦斯斷電儀報(bào)警時(shí)，采煤機(jī)停止運(yùn)行。

F2812主控模塊內(nèi)部自帶16路DAC模塊，分辨率為12位，可同時(shí)接收16個(gè)模擬量信號(hào)，采樣頻率高達(dá)12.5 Msps。同時(shí)，DSP主控自帶的ADC模塊的輸入電壓為0～3 V，需要首先完成各種傳感器信號(hào)的調(diào)節(jié)，之后進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換并輸入DSP控制器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量信號(hào)的采集。

3.5 遠(yuǎn)程控制模塊

遠(yuǎn)程控制模塊能夠根據(jù)采集得到的采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，確定采煤機(jī)的控制指令，遠(yuǎn)程發(fā)送至采煤機(jī)，控制采煤機(jī)按照指令運(yùn)行。采用Quest3D的虛擬操控系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析、指令發(fā)送等遠(yuǎn)程控制模塊的功能設(shè)計(jì)。

DSP主控模塊與遠(yuǎn)程主機(jī)之間的通信采用CAN總線完成，其F2812自帶eCAN模塊支持的CAN2.0B協(xié)議，具備遠(yuǎn)程通信功能。在設(shè)計(jì)時(shí)為遠(yuǎn)程主控計(jì)算機(jī)配置CAN-232轉(zhuǎn)換器，能夠可靠讀取CAN總線信號(hào)并轉(zhuǎn)換成RS232信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

4 DSP程序的設(shè)計(jì)

DSP主控模塊的程序?qū)儆陧樞驋呙枘Ｊ剑诓擅簷C(jī)運(yùn)行狀態(tài)正常時(shí)，掃描數(shù)字量輸入模塊，獲取采煤機(jī)各個(gè)部分的運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)分析處理輸出接口動(dòng)作指令，其控制流程如圖2所示。

圖2 DSP主控模塊軟件控制流程

采煤機(jī)電控系統(tǒng)在檢測得到的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，第一步就是判斷故障的類型，包括致命故障和一般故障兩種。當(dāng)致命故障出現(xiàn)時(shí)如瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)、截割電機(jī)溫度過熱等，必須立即停機(jī)，記錄故障時(shí)間和信息，鎖定采煤機(jī)程序，不允許自動(dòng)復(fù)位，故障排除之后方可重新啟動(dòng)程序。一般故障是指采煤機(jī)某一部分出現(xiàn)故障，不影響其他部分正常工作，僅需采煤機(jī)控制系統(tǒng)作出停機(jī)響應(yīng)，顯示故障信息，待排除故障之后狀態(tài)顯示正常為止。

5 采煤機(jī)電控系統(tǒng)的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證采煤機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，投入使用后進(jìn)行了為期半年的跟蹤記錄，結(jié)果表明，基于DSP技術(shù)設(shè)計(jì)完成的采煤機(jī)電控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足采煤機(jī)的控制要求，能夠?qū)Σ杉玫降牟擅簷C(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的邏輯分析和處理，給出對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)控制指令，相對(duì)于原電控系統(tǒng)，該電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力提升近30%，提高采煤機(jī)的利用率近25%，取得了很好的應(yīng)用效果。