我國機(jī)械自動(dòng)化水平與控制技術(shù)飛速發(fā)展，礦井生產(chǎn)過程逐漸由半自動(dòng)化開采發(fā)展為全自動(dòng)化開采，以機(jī)械設(shè)備代替人工勞動(dòng)，以智能控制降低操作失誤，提高企業(yè)的生產(chǎn)能力與創(chuàng)新技術(shù)[1]。以采煤流程為例，國內(nèi)礦井經(jīng)歷了人力、炮采、普采與綜采四個(gè)階段，最終向“智采”方向發(fā)展。電牽引采煤機(jī)憑借可靠性高、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被迅速推廣應(yīng)用，成為煤炭采掘的主流設(shè)備之一[2]。采煤機(jī)控制系統(tǒng)是綜采工作面的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，提高其控制精度、監(jiān)測能力與數(shù)據(jù)傳輸速度是綜采自動(dòng)化與智能化的必然趨勢，因此本文將針對電牽引雙滾筒采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)展開分析。

　　1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.1采煤機(jī)組成

　　雙滾筒采煤機(jī)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、牽引部、截割部與其他附屬裝置組成。電動(dòng)機(jī)通常為水冷，通過輸出軸與減速器齒輪傳動(dòng)，分別驅(qū)動(dòng)截割滾筒與牽引裝置[3]。牽引部為采煤機(jī)的行走機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)移動(dòng)、機(jī)器與清理落煤的工作，雙滾筒電牽引采煤機(jī)的牽引部分為左右兩部分，包括牽引機(jī)構(gòu)及電傳動(dòng)部分，電牽引采煤機(jī)采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引部，配有兩個(gè)齒輪傳動(dòng)箱，電機(jī)經(jīng)二級齒輪減速器傳動(dòng)后，由行星架輸出到驅(qū)動(dòng)滾輪，滾輪與行走輪嚙合，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)沿工作面的前后移動(dòng)。截割部包括減速箱、截割滾筒、搖臂、調(diào)高系統(tǒng)等組成。電機(jī)與減速器連接，降速增矩后傳遞給截割滾筒，對煤壁進(jìn)行切割，利用螺旋葉片與擋泥板將煤炭送入刮板輸送機(jī)。截割部工作過程中受到的沖擊大，負(fù)載不均勻，所以截割部的機(jī)械設(shè)備需要較高的硬度與強(qiáng)度，電氣控制系統(tǒng)需要較強(qiáng)的抗干擾性與穩(wěn)定性[4]。

　　1.2系統(tǒng)功能

　　采煤機(jī)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的是對牽引部與截割部的自動(dòng)控制和各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集與傳輸功能，具體如下：1)數(shù)據(jù)采集功能：對采煤機(jī)的牽引狀態(tài)、截割負(fù)載、姿態(tài)、位置與環(huán)境中的瓦斯?jié)舛刃盘栠M(jìn)行采集，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與RS485串口進(jìn)行傳輸。2)牽引部自動(dòng)控制功能：根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，控制制動(dòng)器，在停車時(shí)制動(dòng)采煤機(jī)，正常工作時(shí)松閘;向變頻器發(fā)出左、右前進(jìn)信號，控制采煤機(jī)相應(yīng)動(dòng)作，完成牽引部的自動(dòng)調(diào)速功能。3)截割部自動(dòng)控制功能：根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制算法，預(yù)測搖臂軌跡，分別獨(dú)立控制各滾筒電機(jī)的啟停信號;搖臂升降，通過控制電磁閥的開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)搖臂高度與位置自動(dòng)調(diào)整。4)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能：將采煤機(jī)的運(yùn)行工況通過總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，技術(shù)人員通過監(jiān)控機(jī)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程調(diào)控。

　　1.3系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用DSP控制器，完成系統(tǒng)的控制決策、通訊協(xié)議、數(shù)字量與模擬信號的采集、控制算法處理等功能。采煤機(jī)運(yùn)行過程中所需監(jiān)測的參數(shù)包括采煤機(jī)所在位置、姿態(tài)、各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流、電壓等信號、液壓系統(tǒng)的油液壓力與液位等參數(shù)。電機(jī)參數(shù)、采煤機(jī)姿態(tài)與位置為數(shù)字量信號，通過RS485串口通信傳輸?shù)紻SP處理器中，液壓系統(tǒng)參數(shù)與瓦斯?jié)舛葹槟�擬量參數(shù)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)教幚砥鳎�通過處理分析，將參數(shù)寫入采煤機(jī)的控制模型，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)速度與調(diào)高的自適應(yīng)控制。控制器通過通訊協(xié)議將監(jiān)測參數(shù)傳輸?shù)较锏辣O(jiān)控機(jī)，技術(shù)人員可直接向控制器發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控功能。控制器配有監(jiān)控屏，與處理器通過RS232串口連接。系統(tǒng)的整體方案如圖1所示。

　　2系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)分析

　　2.1采煤機(jī)牽引部自動(dòng)控制技術(shù)

　　采煤機(jī)在自動(dòng)調(diào)速過程中，牽引速度與采煤機(jī)的截割負(fù)載、截割深度、滾筒轉(zhuǎn)速等密切相關(guān)，其中最主要的影響因素為截割負(fù)載。本文采用截割電流預(yù)測控制方法，通過測量截割電流預(yù)測采煤機(jī)的截割負(fù)載，進(jìn)而對牽引速度進(jìn)行預(yù)測控制。建立截割電流、轉(zhuǎn)速和載荷的物理模型，探究電機(jī)電流、滾筒轉(zhuǎn)速與截割負(fù)載之間的關(guān)系，獲取數(shù)據(jù)集。建立三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用小波變換對截割電機(jī)的電流信號與轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理，將兩個(gè)信號的有效值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，輸出為采煤機(jī)截割負(fù)載，系統(tǒng)設(shè)定負(fù)載閾值，當(dāng)預(yù)測負(fù)載大于設(shè)定閾值時(shí)，降低牽引速度;反之，增大牽引速度。

　　2.2采煤機(jī)截割部自動(dòng)控制技術(shù)

　　截割部自動(dòng)調(diào)高控制采用紅外探測法，以地質(zhì)數(shù)據(jù)建模，根據(jù)巖石與煤層物理特性的不同，確定切割時(shí)產(chǎn)生的溫度閾值。利用高精度紅外溫度探測儀，測量滾筒截齒附近的溫度，從而判斷截割部位是否到達(dá)邊界。紅外探測儀具有較強(qiáng)的穿透力，不受粉塵與水霧的影響，可取代人工目視，準(zhǔn)確定位。

　　3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1硬件整體方案選型設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。控制系統(tǒng)采用DSP處理器，利用DSP的高速處理能力、高集成性與可編程性，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型移植、控制決策、信號采集、數(shù)據(jù)通信等功能。根據(jù)系統(tǒng)功能與應(yīng)用環(huán)境，選擇的DSP芯片具體型號TMS320F2812，芯片采用靜態(tài)CMOS技術(shù)，電源供電電壓3.3V，工作溫度-40~+80℃，內(nèi)核頻率150MHz，片內(nèi)RAM存儲器36kB。系統(tǒng)存儲模塊負(fù)責(zé)采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)與控制參數(shù)的存儲記憶，方便對歷史數(shù)據(jù)的查詢與記錄。本系統(tǒng)選擇SD卡作為數(shù)據(jù)存儲工具，SD卡具有容量大、安全性高與讀寫速度快的優(yōu)點(diǎn)，可在SD與SPI兩種模式下工作，與DSP內(nèi)部集成的SPI模塊相契合。

　　3.2通信接口設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采集電機(jī)參數(shù)、采煤機(jī)位置、采煤機(jī)姿態(tài)、變頻器參數(shù)等數(shù)字信號時(shí)，均通過RS485接口進(jìn)行通信。RS485傳輸距離遠(yuǎn)，可達(dá)1200m左右，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速率可達(dá)10Mbps，符合礦井采掘工作面的功能需求。系統(tǒng)的RS485接口電路如圖3所示，MAX485芯片的RO引腳接DSP內(nèi)置串口SCIB模塊的SCIRXDB引腳，/RE與DE引腳接GPIOB引腳，輸入高低電平控制輸入信號的輸入輸出。A和B引腳接采煤機(jī)數(shù)字信號傳感器的通信接口。

　　4結(jié)論

　　1)系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對采煤機(jī)的牽引速度進(jìn)行預(yù)測控制，利用巖石物理特性與紅外探測技術(shù)，替代人工目視，判斷截割位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)高控制。2)對系統(tǒng)硬件的核心處理器與存儲單元進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的串口通信接口電路，提高了系統(tǒng)對采煤機(jī)的自動(dòng)化控制程度，降低了人工成本與操作失誤概率，提高了系統(tǒng)信號傳輸?shù)目垢蓴_性。

　　參考文獻(xiàn)

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　　《煤礦電牽引采煤機(jī)自動(dòng)控制探討》來源：《機(jī)械管理開發(fā)》，作者：付欣睿