自动化控制技术在电牵引采煤机中的应用

张志军

（山西焦煤集团有限责任公司官地煤矿，山西 太原 030022）

引言

电牵引采煤机是矿井工作面至关重要的一种采煤设备。随着科学技术的不断发展，煤矿对采煤机自动化控制系统也提出了更高的要求。传统的采煤机控制系统普遍采用PLC控制器为核心处理器，此类控制系统在进行状态信息检测和数据通信时需增设专门模块，而且控制器数据运算和处理能力差，难以实现复杂的控制算法和模型，智能化程度低，已无法满足当前矿井自动化工作面的需求[1-2]。为此，本文采用双DSP控制器替代原有的PLC控制器，设计了一种全新的电牵引采煤机自动化控制系统，该系统将双DSP控制器分为一主一辅，主控制器可负责实时采集采煤机及其相关设备的所有状态参数，并将其发送到辅控制器和上位机监控系统，同时具备控制功能；辅控制器可基于接收到的状态信息快速运算智能算法和智能模型，得到决策结果，同时反馈给主控制器。通过主、辅控制器的相互配合，大大提高了采煤机控制系统的自动化和智能化程度。

1 系统总体方案设计

图1所示为电牵引采煤机自动化控制系统的总体方案。整个系统由上位机监控系统、双DSP控制器、模拟量输入模块、开关量输入输出模块、主从变频器、触摸屏、声光报警装置、液晶显示装置等组成。其中，上位机监控系统负责实时显示采煤机及其相关设备的各类状态参数，并具备报警、打印、远程控制等功能；双DSP控制器分为主控制器和辅控制器，主控制器负责采集采煤机系统的各类状态信息并上传给上位机，同时完成通信及控制功能，辅控制器负责进行智能算法、数据模型的运算处理，为主控制器实现控制提供决策支持；模拟量输入模块负责采集模拟量信息；开关量输入输出模块负责采集数字量输入输出信号；变频器负责通过电牵引实现牵引电机的启停、左右牵引和牵引加减速，受主DSP控制器控制；触摸屏通过RS232通信电路与主DSP控制器连接，负责现场人工操控采煤机。

图1 电牵引采煤机自动化控制系统总体方案框图

2 硬件方案设计与选型

2.1 DSP控制器分析与选型

系统采用了双DSP控制器，不仅可以提高功能扩展性和处理数据的实时性，而且主控制器用于行数据采集和功能控制，辅控制器用于算法处理及结果反馈，保障了程序执行的效率。

其中，主DSP控制器选用TI公司TMS320F2812型DSP，可实现数据采集、功能控制、通信协议处理等功能。数据采集包括模拟量和数字量两部分，模拟量包括采煤机的工作位置、倾角、电机电流、电压、温度、压力等工况参数；数字量包括漏电信号、电机启停信号、超温信号、超压信号、继电器开关信号等。辅DSP控制器采用了TMS320F28335型浮点DSP，主要负责完成采煤机相关智能算法及智能模型的运行处理，可快速运算而无须耗费过多的时间处理小数操作，效率极高。主、辅DSP控制器之间采用SPI总线进行通信[3]。

2.2 变频调速系统设计与选型

变频器调速系统是采煤机重要的动力支持。采煤机需要通过牵引电机牵引其牵引部进行截割行走，此项功能由变频器完成。本文选用ABB公司生产的ASC800型变频器，利用其直接转矩控制（DCT）式来对牵引电机进行控制。该控制方式转矩响应快、噪声小，极大地降低了变频器的功耗。采煤机牵引部有两台电机，本文采用两台变频器，通过主从控制宏将变频器定义为主变频器和从控制器，主变频器受主DSP控制器控制，由其给出速度给定，主变频器与从变频器之间通过光纤通信方式进行指令控制和数据源传输[4]。系统采用两种方式对主变频器进行操作控制，一是利用数字量开关信号来控制变频器的启停、加减速和正反转等功能，同时获取变频器的故障信号；二是采用现场总线的通信方式获得变频调速系统的状态参数[5]。

2.3 DSP与变频器RS485通信电路设计

主DSP控制器与变频器之间通过RS485通信方式进行数据传输。主控制器为TMS320F2812型DSP，它具有两个串行通信接口，分别为SCIA与SCIB。由于变频器采用一拖一的控制方式，故只需设计一个RS485接口即可，将其与主变频器连接。利用MAX3485芯片将SCIB接口改造为RS485接口，具体的设计电路图如图2所示。

图2 主DSP与变频器之间RS485通信电路设计

2.4 CAN总线远程通信电路设计

上位机监控系统与主DSP控制器之间通过CAN总线通信电路进行数据通信，主DSP控制器将采集到的采煤机工况参数自下而上上传给上位机，上位机通过对工况参数的判断远程下发控制指令到主DSP控制器，实现对采煤机的控制。主DSP控制器TMS320F2812内置一个eCAN控制器，同时具备完整的CAN2.0B协议。本文在eCAN模块和CAN总线之间采用芯片SN65HVP230增设了一个CAN的电平匹配电路，设计的电路图如图3所示。这样可以让eCAN模块的电平符合高速CAN总线电平特性。

图3 远程CAN总线通信电路设计

3 系统软件方案设计

系统的核心处理器是DSP，针对DSP控制器，采用软件和硬件两种开发工具进行程序开发。软件上利用TI公司配套开发的集成开发环境Code Composer Studio（CCS）。该软件包含了代码生成工具、软件模拟器、实时基础软件及实时分析与数据可视化软件，对开发者开发和调试十分友好。硬件上采用了仿真器及系统试验板，开发时将仿真器连接于计算机和DSP控制器之间。

开发过程中CCS程序使用了模块化的设计理念，分为主程序和各中断功能子程序，当执行一项功能时，由主程序通过中断服务子程序的方式统一调用功能子程序。设计的子程序包括声光报警、液晶显示、模拟量采集、数字量输出、数字量输入、CAN总线通信、截割轨迹预测、截割负载预测、设备故障等。图4所示为控制系统主程序流程框图。

图4 主程序流程框图

4 结论

传统的采煤机控制系统已经无法满足当前矿井开采的需求。本文以双DSP控制器为核心，借助传感器检测技术、CAN总线通信技术、变频调速技术、RS485通信技术开发了一套智能型采煤机自动化控制系统。该系统DSP控制器具有强大的数据处理能力，主控制器可快速处理海量的监测信息，辅控制器可高速进行智能算法、智能模型的执行，在双DSP控制器的支持下，进一步提高了采煤机控制系统的智能化程度，具有一定的推广应用价值。