掘進機實時監控系統的設計范文
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《礦山機械雜志》2015年第十一期
掘進機、輸送機、采煤機及液壓支架是綜合開采的4種核心設備，EBZ系列懸臂式掘進機是實現煤層剝離、裝載運出及移動行走于一身的煤礦機械設備[1]。在煤礦生產機械化、自動化水平日益提高的今天，通過現代控制技術、計算機技術及通信技術等手段，進一步提高懸臂式掘進機的工作穩定性與可靠性，克服人工控制方案的缺陷具有重要的現實意義。目前，掘進機遠程監控系統采用的通信方式以RS485總線為主，而RS485總線正常傳輸距離僅在1000m以內，同時它只能使用主從結構，當有多個節點存在時，容易發生數據傳輸混亂，通信效率不高。筆者設計了一種基于CAN總線的EBZ掘進機實時監控系統，通信距離可達10km，實現了掘進機的遠距離遙控作業，該系統數據傳輸量大、通信安全可靠，可以降低操作者勞動強度，提高了煤礦開采效率與安全性，為提高懸臂式掘進機自動控制水平提供了有益借鑒。
1控制系統總體設計
EBZ系列掘進機屬于掘錨一體機，結構較為復雜，主要的控制系統包括驅動主回路、操作控制回路、檢測傳感回路及安全保護回路4部分[2]。在控制系統工作中，需要檢測的參數主要包括電動機溫度、電動機電流、環境瓦斯濃度、液壓系統油溫與油位、壓力、整機漏電狀況及接地等故障等?；贑AN總線的EBZ掘進機實時監控系統主要由分布式傳感器、獨立的處理器、CAN通信芯片及電力驅動器等部分構成，系統通過CAN總線實現系統通信，對掘進機工況進行實時監控并進行相應的保護。掘進機啟動前，系統將對切割電動機、油泵電動機等進行全面檢測，避免漏電、過壓等故障的出現，從而保證了掘進機啟動工作的穩定與可靠?？刂葡到y原理如圖1所示。
2控制系統的實現
2.1系統核心硬件選型掘進機的工作環境十分惡劣，各種干擾、粉塵對控制系統各部件的可靠性與穩定性均提出了比較苛刻的要求。在惡劣的工作環境下，若要系統順暢穩定工作，首先要選用穩定可靠的控制核心，該設計系統的主控芯片選擇了LPC1768系列的Cortex-M3微型控制器，CAN總線通信收發芯片使用了SN65HVD230系列，該收發器抗干擾能力出眾、可靠性突出，在掘進機工作環境中應用極為適合。
2.2截割臂擺速控制方式掘進機截割臂通過截割頭與截割臂的協同運動，完成了煤巖部分的掘進與截割，其準確控制在掘進機的控制中占據重要地位。該設計采用的控制方式為使用對電流與振動信號的有效檢測，為系統提供雙輸入的控制依據，通過電流與煤巖硬度兩方面的判斷，結合模糊控制的方法完成截割臂擺速的實時控制，截割臂擺速控制的原理如圖2所示。
2.3硬件系統設計硬件系統的核心是監控主板，主板的主要功能是完成掘進機工況過程中的數據采集，并根據數據情況進行控制。具體數據采集由采集模塊完成，采集模塊包括各種傳感器、信號處理電路、A/D轉換電路、各種I/O接口電路及控制器等結構。掘進機控制模塊主要包括控制器、控制開關、信號處理電路、I/O接口電路和各種執行機構等部分，系統控制分站的硬件結構如圖3所示。
2.4主要電路設計(1)晶振與復位電路設計系統控制中心LP1768，該控制器有主時鐘振蕩器、RTC時鐘振蕩器及內部RC振蕩器3個獨立的時鐘源[6]。該設計針對RTC使用了32.86kHz晶振，主晶振使用了12kHz，為了保證各個芯片運行的穩定可靠，在VDD與VSS之間設計了去耦電容。RTC晶振頻率使用了32.86kHz晶振，主要提供RTC所需的時鐘源，具體晶振與復位電路如圖4所示。(2)總線收發電路設計CAN總線收發電路決定了系統數據收發的穩定可靠，設計中將SN65HVD230中的D、R兩引腳分別與F040的TX與RX并聯電阻后再相連，起到終接電阻的作用，設計中終接電阻取120，總線收發電路設計如圖5所示。
2.5軟件設計整個監控系統通過結構化程序思想完成整個軟件設計，軟件主要完成現場數據采集、數據分析處理、有效數據存儲、控制命令輸出及現場通信能功能，軟件執行過程可簡單描述為程序開始、完成初始化工作且啟動各個電動機，從而檢測系統是否存在故障；發現故障停機報警，無故障則正常啟動掘進機，根據控制命令進入到工作過程的監控模式。系統通信部分核心功能是CAN控制器對數據幀的相應分析，程序執行過程首先要調用中斷程序，然后接收數據，并分析判斷，錯誤數據清除并發送錯誤信息，正確數據存入存儲器備用，系統的主程序與響應幀數據流程如圖6所示。
3結語
以EBZ系列掘進機為研究對象，使用CAN總線技術作為通信方式，從硬件設計與軟件開發兩個角度，設計了基于CAN總線的EBZ掘進機實時監控系統，系統實現了掘進機的分布式實時控制，降低了控制系統的故障率，提高了掘進機工作的穩定性與可靠性。
作者：于海燕 巨筱 張保龍 鄭軍輝 單位：鄭州科技學院 鄭州煤礦機械集團股份有限公司