魏 勇

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，太原 030052）

0 引言

電牽引采煤機(jī)是目前煤礦開采過程的重要機(jī)電設(shè)備。隨著電氣控制技術(shù)的不斷發(fā)展和機(jī)械化程度的不斷提高，大功率、高自動化水平的電牽引采煤機(jī)已經(jīng)成為開采煤礦的首選[1]。電控系統(tǒng)是采煤機(jī)工作運(yùn)行的關(guān)鍵部分，傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)一般采用PLC控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割、牽引和破碎等控制及遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。但是由PLC 控制器設(shè)計(jì)而成的電控系統(tǒng)通訊速度慢，面對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力差、效率低；基于PLC 開發(fā)智能控制算法難度大，植入性差，導(dǎo)致電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能比較單一，自動化水平低，不能很好地滿足采煤生產(chǎn)自動化的需求[2]?？梢?，PLC 電控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、性能上已經(jīng)難以滿足采煤機(jī)的工作需要，嚴(yán)重影響了煤炭的開采效率，制約了采煤機(jī)的智能化發(fā)展。

針對上述問題，本文采用雙DSP 控制器替代原PLC 控制器，提出一種基于雙DSP 控制器的電控系統(tǒng)，利用DSP 運(yùn)算處理能力強(qiáng)、外設(shè)豐富的優(yōu)勢可在線實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)工況的快速監(jiān)控監(jiān)測，同時(shí)配合智能算法模型可使采煤機(jī)進(jìn)行多種智能化操作和工藝組合，大大提高了采煤機(jī)的截煤效率。

1 電控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與改造方案

改造后的電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。整個(gè)電控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、主控單元、變頻器調(diào)速單元、液晶顯示屏、聲光報(bào)警裝置、按鍵輸入模塊、傳感器檢測單元等組成。其中，主控單元是核心部分，由雙DSP控制器組成，分為DSP主控制器和DSP輔控制器。DSP主控制器負(fù)責(zé)采集傳感器檢測到的采煤機(jī)工況信息，進(jìn)行在線處理和優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能；DSP輔控制器是主控制器的后臺運(yùn)算中心，借助DSP 高速的運(yùn)算和處理能力，用以執(zhí)行復(fù)雜的智能控制算法和控制模型，得到最優(yōu)的截割與調(diào)高數(shù)據(jù)，然后傳輸給DSP 主控制器進(jìn)行相應(yīng)的控制，通過DSP 雙控制器組合大大提高了采煤機(jī)的適應(yīng)能力。傳感器檢測單元包括電流互感器、溫度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?。電流檢測包括截割電機(jī)、牽引電機(jī)、破碎電機(jī)等，溫度檢測包括截割電機(jī)、牽引電機(jī)、破碎電機(jī)、牽引變壓器、電控箱等。變頻器調(diào)速單元由一主一從2臺變頻器組成，用來牽引左右2臺牽引電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的掘進(jìn)；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測和管理采煤機(jī)的運(yùn)行工況，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)診斷電控系統(tǒng)可能存在的故障。

圖1 電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)改造方案總體架構(gòu)

2 硬件部分優(yōu)化設(shè)計(jì)與改造

2.1 雙DSP控制器選型

DSP（Digital Signal Processing）即數(shù)字信號處理技術(shù)，基于此研發(fā)的DSP 芯片具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力，可支持運(yùn)行各種復(fù)雜的智能算法，外設(shè)資源也非常豐富，可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)[3]。

因此，可將DSP 應(yīng)用到采煤機(jī)電控系統(tǒng)中，采用雙DSP控制器組合。DSP主控制器和輔控制器皆選型為TMS320F2812，兩者通過一條高速SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主DSP 控制器負(fù)責(zé)接收傳感器檢測單元的采煤機(jī)工況信息和環(huán)境信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到具體信息，同時(shí)將具體信息通過RS232方式顯示在液晶顯示屏上，通過CAN 總線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，供工作人員決策使用。同時(shí)，DSP主控制器也會將電流、溫度等工況數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP 輔控制器，這些數(shù)據(jù)是智能控制算法和控制模型的基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)，DSP輔控制器執(zhí)行智能控制算法和模型，執(zhí)行完畢后，將計(jì)算得出的控制指令發(fā)送給DSP主控制器，由DSP主控制器完成采煤機(jī)自動截割、采煤組合工藝等操作。智能控制模型包括采煤機(jī)截割負(fù)載預(yù)測、牽引速度自適應(yīng)控制模型、搖臂截割高度預(yù)測模型、電動機(jī)故障預(yù)測模型及工藝組合模型等[4]。

2.2 主從變頻器調(diào)速單元設(shè)計(jì)與選型

變頻器調(diào)速單元負(fù)責(zé)控制拖動牽引電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)電牽引采煤機(jī)的掘進(jìn)行駛。本文設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)中變頻器調(diào)速單元采用2 臺ABB 公司生產(chǎn)的ASC800型變頻器，并且采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式，該控制方式轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，無高頻噪聲[5]，由DSP主控制器實(shí)現(xiàn)控制。

2臺變頻器采用“一拖一”主從控制策略，通過光纖連接的方式進(jìn)行通信。本系統(tǒng)中將左牽引變頻器設(shè)置為主變頻器，右牽引變頻器設(shè)置為從變頻器，主變頻器通過RS-485 通信方式與DSP 主控制器進(jìn)行通信，采用的具體通信協(xié)議為Modbus-RTU 協(xié)議，從變頻器負(fù)責(zé)接收主變頻器數(shù)據(jù)信息，由主變頻器進(jìn)行控制。這樣，通過DSP 主控制器控制主變頻器，可實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)電牽引采煤機(jī)牽引啟停、左右牽引和牽引加減速。

2.3 CAN總線通信電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中遠(yuǎn)程監(jiān)控中心與主控單元之間通過CAN 總線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)方案

主控單元中由DSP 主控制器來實(shí)現(xiàn)通信功能，DSP 主控制器TMS320F2812 中自身可支持CAN 通信功能，內(nèi)部包含一個(gè)eCAN 模塊，支持CAN2.0B 協(xié)議。CAN 總線通信網(wǎng)絡(luò)中，信號接口一般為CANH和CANL形式，同時(shí)信號以差分電壓的形式向上或向下傳輸。但由于DSP 主控制器TMS320F2812 中的eCAN模塊電平與CAN總線中的電平特性存在一定差異，故本文設(shè)計(jì)了一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，電路中采用了發(fā)送接收器SN65HVD230芯片。圖3所示為CAN總線通信電平轉(zhuǎn)換電路圖。圖中，VCC端電壓為3.3 V，CANH端和CANL端直接與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的CAN總線接口連接，CANTXA 端和CANRXA 端與DSP 主控制器的eCAN模塊引腳連接。

圖3 CAN總線通信電平轉(zhuǎn)換電路

2.4 傳感器檢測單元設(shè)計(jì)

傳感器檢測單元主要包括溫度傳感器、電流互感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯取囟葌鞲衅鞑捎眯吞枮镻t100，溫度檢測包括截割電機(jī)、牽引電機(jī)、破碎電機(jī)、牽引變壓器、電控箱等。電流互感器采用型號為LF305-S，電流檢測包括截割電機(jī)、牽引電機(jī)、破碎電機(jī)等[6]。瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑捎眯吞枮镵G9001C。

3 下位機(jī)程序優(yōu)化設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)包括DSP 主控制器和DSP 輔控制器兩部分。系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，主要利用C語言進(jìn)行程序開發(fā)，部分程序調(diào)用匯編語言進(jìn)行補(bǔ)充。開發(fā)軟件使用TI公司提供的CCS（Code Composer Studio）編程軟件和XDS100仿真器[5]，CCS軟件的具體版本為CCS3.3。下位機(jī)程序包括主程序和各個(gè)功能子程序，子程序由DSP輔控制器程序、冷卻噴霧程序、泵動作程序、液壓升降程序、左右截煤動作程序、左右牽引動作程序、CAN總線通信程序、聲光報(bào)警程序等組成，DSP輔控制器程序又包含多個(gè)智能控制模型子程序。圖4所示為DSP主控制器的工作流程框圖。

圖4 DSP主控制器工作流程框圖

4 結(jié)束語

以PLC 為主控制器的采煤機(jī)電控系統(tǒng)已無法滿足目前礦井的采煤需求，為此本文提出一種基于雙DSP控制器的采煤機(jī)電控系統(tǒng)，由DSP主控制器完成采煤機(jī)工況信息的采集和操作控制，由DSP 輔控制器完成復(fù)雜智能控制算法和控制模型的高速運(yùn)算，并輸出控制結(jié)果給主控制器。應(yīng)用結(jié)果表明，采用雙DSP 為主控單元的采煤機(jī)電控系統(tǒng)能夠快速運(yùn)算處理采煤機(jī)工況數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動截割控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，并且優(yōu)化和提高了截煤效率，為電牽引采煤機(jī)自動化控制運(yùn)行提供了新的研究思路。