一种基于智能调速的低能耗电牵引采煤机系统

李清贤

河南神火集团薛湖煤矿

电牵引采煤机在井下工作面的生产中发挥着关键性的作用，其截割效率对煤矿开采速率产生至关重要的作用，随着智能控制和数字信号处理技术的发展，如何在恒功率下提高电牵引采煤机的截割速度成为制约煤矿高效率生产的重要因素。本文首先深入剖析电牵引采煤机的调速原理和机械特性，在此基础上设计了针对采煤机的调速控制系统，给出了该控制系统的温度检测模块、CPU 控制模块、信号采集模块以及通信接口的硬件电路。

引言

电牵引采煤机是一种机械和电子信息结合的自动化采煤设备，基本原理是通过电动机直接带动牵引机构，能够实现在运输机上按照预定的工艺要求自动变速滑动的目的，由于其具有性能优良、可靠性高、操作方便、自动化程度高的优点，因此得到了广泛的应用。然而，由于复杂的煤岩特点以及操控者的熟练程度差异使得采煤机电动机的工作效率低下、功率波动幅度大、且控制特性不正常，直接对截割电动机的工作性能和使用寿命产生重要的影响。鉴于采煤机的控制对象包含与煤岩有关的反馈参数，建立准确的数学模型比较难。本文给出了一种新型的电牵引采煤机调速控制系统，在确定控制系统总体方案的基础上，完成了系统各个功能模块的硬件电路和相应的软件程序。

采煤机在恒功率下的调速理论

电动机是实现采煤机做机械移动的动力源，通过截割电机来驱动采煤机的螺旋滚筒转动，使得采煤机的行走机构正常行进，液压泵电机驱动相应的液压系统，完成采煤机的滚筒调高等动作。一般的采煤系统具有 4～7 台电机，包括了两台大功率三相异步截割电机，特点是能够进行恒速运行；还有两台带有调速控制的牵引电机，以及需要调速的液压泵电机等。从电机总功率配置角度可以看出，截割功率在总装机功率中占有很大的比重，牵引功率缺占有很少的比例，因此要实现采煤机的恒功率调速，首先需要保证截割电机的功率保持恒定。由采煤机恒功率控制的机理可以得到相应的功率计算公式为：

式（1）中，U 代表电动机额定电压，I 代表相应的额定电流，cosφ 代表相应的功率因数，为电机工作效率。从式（1）看出，由于工作效率和功率因数是恒定不变的，因此当电动机额定电压确定后，电动机输出的功率与额定电路成正比关系。

根据文献介绍可知，电动机的负载主要是截割阻力，随着截割阻力变大，截割阻抗呈现上升趋势，引起负载电流增大。通过这个规律，利用电流互感器测量电机的负载工作电流，将工作电流与额定电流相比较，根据比较结果发出相应的“超载”或“欠载”信号。综上所述，牵引速度和截割电机的功率大致呈现正比关系，因此当发生电机过载时，可以降低牵引速度来减小截割功率，保持电机能够大致处在额定功率运行，达到充分发挥电机效能目的。

电牵引采煤机调速控制系统的总体架构

采煤机基于恒功率下的调速系统实时采集和处理当前的各个运行参数，包括牵引速度、电动机工作电流和温度以及截割电机的电流、温度等参数，当上述的某一个参数超过规定值时，自动发出报警信息并要求运行人员做出处理，最恶劣情况下将采煤机停止运行；并且依据采集到的截割电机电流信号，由控制器CPU 程序做出及时处理，同时给变频器控制信号以此来调节牵引电机的速度，达到截割电机基于恒功率下的调速目的。

本文提出的系统模块化的设计方案包括以下的功能模块：电流信号测量模块、通信接口模块、温度检测模块、PLC 控制模块等。控制模块包括了模拟量测量、通信传输以及控制中心处理等功能，上述的模块功能如下所述。

模拟信号检测模块

该模块主要包括电流和温度两个检测量子模块，各个子模块采集相应的信号，并对采集到的信号进行编码处理，定时的将检测信息发送到通信总线上，利用LED 指示灯实时显示该模块的总线工作状态。

PLC 的CPU 控制模块

该模块主要用来接收遥控信号和开关控制信号，并对上述两个信号做出编码处理，同时发送到通信总线上。操作人员利用遥控器对采煤机进行远程控制，不仅减少了工作量，同时降低了恶劣环境下工作人员的危险度。控制开关的按键装设在端头站，防止遥控器失效，造成无法控制采煤机的事故，进一步提高了系统工作的可靠性。

通信接口与传输模块

该模块的接口用于实现 PLC、变频器与CAN 总线之间的数据传输，把采集到的采煤机运行参数和控制信号实时地发送到 CAN 总线，同时将接收到的各个信号利用RS485 总线传送到 PLC；并且该模块还将变频器的各项运行数据定时地传送给 PLC。

调速系统的硬件电路与软件功能

本文提出的系统采用 CAN 通信总线，该串行通信网络具有实时提供数据流、能够分散控制并且保密好的优点。该总线的通信媒介包括了光导纤维、双绞线和同轴电缆。CPU 主控模块芯片采用MCU-C8051F050。其带有CAN 控制，是一种具备信号高速处理的单片机，内核采用了CIP-51，软件程序开发采用标准的803x/805x汇编/编译器。该CPU 具有2 个全双UART、5 个16位的定时/计数器、256B 的RAM 以及128B 的特殊功能寄存器。温度测量模块用于实时测量牵引电机和截割电机的温度。把每一个截割电机和牵引电机都安装一个PT100。该温度传感器能够显示电机工作温度。电流信号检测模块主要用于测量截割电动机的工作电流，并能够将当前工作电流信号传送到CAN 总线，最终传送给PLC，PLC 根据当前的工作电流值发出相应的反馈控制信号。电流互感器以及变送器主要完成截割电机的电流/电压转换功能，最终变成 0～10V 范围的电压信号，该模块选用F-20B 遥控组件，包括遥控器、接收器和按键三部分。将接收器安装到终端头上，作为采煤机控制的后备保护。

结束语

本文首先阐述了电牵引采煤机基于恒功率下的调速控制理论，据此给出了采煤机调速控制系统的系统结构和各个功能模块，为优化采煤机工作系统提供了新的设计理念。本文仅对电牵引采煤机在恒功率工作下的调速控制系统做一些改善，主要是为了提高工作人员的工作效率和降低危险度，相信能为后续研制高度智能和无人化的新一代采煤机提供一定的参考。