電牽引采煤機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

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1、電牽引采煤機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析 摘要：煤炭是我國(guó)的重要一次能源，在煤礦生產(chǎn)中，煤炭的開(kāi)采效率和井下采煤設(shè)備之間有著重要的聯(lián)系，采煤機(jī)是煤礦開(kāi)采的主要設(shè)備之一。以電牽引采煤機(jī)作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)字信息采集電路，為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)抗干擾電路。 關(guān)鍵詞：煤礦；采煤機(jī)；STM32；數(shù)字采集 0引言 采煤機(jī)是煤礦井下的重要生產(chǎn)設(shè)備，一旦發(fā)生故障，將造成煤礦開(kāi)采的停止，降低生產(chǎn)的效率。隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)和電子信息技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電子信息設(shè)備被運(yùn)用到煤礦開(kāi)采過(guò)程中，并大大提升了電控設(shè)備的性能[1]。采煤機(jī)作為綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的核心設(shè)備之

2、一，利用STM32單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)采煤機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng)，對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保障采煤機(jī)的正常運(yùn)行。以DSP為核心設(shè)計(jì)的采煤機(jī)數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)處理的能力，可以滿(mǎn)足復(fù)雜情況下的煤礦采煤機(jī)的數(shù)據(jù)處理需求，提升采煤機(jī)電控系統(tǒng)的效率，進(jìn)而提高煤炭開(kāi)采的效率[2-4]。 1采煤機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 1.1電牽引采煤機(jī)的組成及功能 采煤機(jī)種類(lèi)繁多，并在煤礦的開(kāi)采過(guò)程中有著廣泛的應(yīng)用，本文的研究對(duì)象為電牽引采煤機(jī)，主要由以下四個(gè)部分組成：截割部分、牽引部分、電氣部分和相關(guān)的輔助系統(tǒng)。截割部分是采煤機(jī)直接和煤礦接觸的部分，消耗著采煤機(jī)的大部分功

3、耗。通過(guò)截割部分對(duì)煤層的截割，使煤礦落入到刮板機(jī)中，通過(guò)電機(jī)的傳送，將煤礦運(yùn)輸?shù)降V井以外。電牽引部分是采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)的主要執(zhí)行部分，一般包括左、右兩個(gè)部分，都可以進(jìn)行速度和方向的調(diào)節(jié)，保證采煤機(jī)的穩(wěn)定移動(dòng)。隨著礦井設(shè)備功率的增大，電牽引部分的作用日漸重要。電氣控制部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的各個(gè)部位電機(jī)的控制和保護(hù)，控制兩個(gè)搖擺電機(jī)和兩個(gè)行走電機(jī)。電氣控制部分包括變頻器、電控箱、變壓器等部分。輔助部分包括、底托架、滑靴、電纜拖移裝置等，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)零散部件的管理，配合采煤機(jī)完成采煤的功能。 1.2數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 （1）采煤機(jī)可能工作在爆炸性氣體和粉塵的環(huán)境中，控制系統(tǒng)必須具

4、備防爆特性，符合煤礦安全要求。（2）隨著采煤機(jī)功率的增加，綜合自動(dòng)化采煤的要求不斷被提出，因此，還必須考慮為以后新技術(shù)的應(yīng)用提供足夠的硬件平臺(tái)支持，預(yù)留數(shù)據(jù)采集端口。（3）采集系統(tǒng)需要具有高度可靠性和容錯(cuò)能力，系統(tǒng)在正常工作時(shí)，穩(wěn)定可靠，可保障采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，減少故障發(fā)生的幾率。（4）可以根據(jù)采煤機(jī)的不同的應(yīng)用場(chǎng)合，修改工作參數(shù)，使系統(tǒng)軟硬件具有較高的可擴(kuò)展性。 2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1系統(tǒng)硬件框架 電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案如圖1所示，數(shù)據(jù)采集模塊和主控芯片之間的通訊方式選擇為CAN總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，煤巖識(shí)別裝置和主控芯片之間的通訊方式選擇為RS-485通訊方式。

5、結(jié)構(gòu)為了減輕現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)的負(fù)擔(dān)，增加系統(tǒng)工作的可靠性，整個(gè)系統(tǒng)采用分布式設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊之間通過(guò)串行通訊線(xiàn)路相連，減少系統(tǒng)線(xiàn)纜的數(shù)量。左、右搖臂的活動(dòng)性較強(qiáng)，采用無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，使數(shù)據(jù)采集、發(fā)送更加便捷，可靠。 2.2主控芯片選型 控制器的核心芯片采用STM32F103C芯片，該芯片采用ARMV7構(gòu)架，不僅支持Thumb-2指令集，而且擁有很多新特性。外部供電選擇2.0～3.6V直流電壓。芯片復(fù)位以后，可以選擇不同的工作模式：運(yùn)轉(zhuǎn)模式、停止模式、待機(jī)模式。根據(jù)不同模式的選擇，可以調(diào)節(jié)芯片的功耗。STM32擁有眾多的外設(shè)，包括ADC、DAC、RTC、DMA、TIMER、SPI、C

6、AN等等。同時(shí)，每個(gè)外設(shè)都有自己的時(shí)鐘系統(tǒng)，可以進(jìn)行獨(dú)立的時(shí)鐘配置，可以通過(guò)控制不同外設(shè)的時(shí)鐘降低系統(tǒng)的功耗。 2.3振動(dòng)采集電路設(shè)計(jì) 2.3.1加速度傳感器選型 采煤機(jī)截割部質(zhì)量從幾噸到幾十噸，采煤機(jī)的截割部分和煤層之間會(huì)產(chǎn)生相互的作用力，這兩種力會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)加速度信號(hào)。對(duì)于普通的振動(dòng)傳感器，這種加速度信號(hào)非常容易捕捉，但是不能保存。即使得到煤礦采煤機(jī)的工況實(shí)時(shí)信息，也不能保存?zhèn)浞?，不利于采煤機(jī)工況的長(zhǎng)期分析。針對(duì)以上問(wèn)題，本系利用超低功耗的msp430單片機(jī)重新對(duì)加速度傳感器的電路進(jìn)行集成，作為系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)采集模塊應(yīng)用在系統(tǒng)中。加速度傳感器的選型為MLV

7、-7，該傳感器的靈敏度為20.0mV/ms-1，幅值線(xiàn)性度小于3％，橫向靈敏度小于5％，輸出電阻小于900Ω。 2.3.2振動(dòng)采集模塊電路 振動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)如圖2所示，三軸振動(dòng)傳感器的輸出量為模擬信號(hào)，通過(guò)24位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，發(fā)送給msp430芯片，并在msp430中進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和相關(guān)計(jì)算，最終的振動(dòng)信息通過(guò)RS-485通訊協(xié)議發(fā)送給主控芯片（STM32）。 2.4電源電路及抗干擾設(shè)計(jì) 2.4.1電源輸入電路設(shè)計(jì) STM32單片機(jī)的供電電源一般為3.3V，在繼電保護(hù)設(shè)備中，繼電保護(hù)控制器的電源電路的輸入

8、端為某一個(gè)電壓互感器的輸出端，在前級(jí)的電壓轉(zhuǎn)換模塊中，根據(jù)控制器用電等級(jí)的不同，電源輸出包括三個(gè)部分：12VDC、5VDC、3.3VDC。分別供電給繼電器、晶振芯片、單片機(jī)，3.3V電壓的產(chǎn)生是通過(guò)SPX1117芯片實(shí)現(xiàn)的，該芯片的輸入電壓為5V，電壓輸出為3.3V。滿(mǎn)足STM32單片機(jī)的工作電壓需求。 2.4.2抗干擾設(shè)計(jì) 礦井用電設(shè)備往往需要考慮抗干擾的特性，電源是控制器的重要組成部分，很多礦井的電磁干擾都是通過(guò)電源流入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的正常工作造成干擾，因此，為了增加系統(tǒng)抗干擾的特性，設(shè)計(jì)了電源輸入電路，電路原理圖如圖4所示。電路中的R1=1MΩ，R2=1

9、4kΩ，R3=10kΩ，R4=200kΩ，電容的阻值選型為0.47μF，當(dāng)輸入電壓為6V時(shí)，可以濾除掉電路中的6次諧波。 2.5轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器選型 在電牽引采煤機(jī)的數(shù)字采集系統(tǒng)中，需要對(duì)牽引電機(jī)的精確功率和轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集傳感器的型號(hào)選擇為JC系列轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器的工作原理為：通過(guò)兩組磁電信號(hào)發(fā)生器，把被測(cè)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的狀態(tài)信息進(jìn)行信息類(lèi)型的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生具有相位差的兩組交流電信號(hào)，這兩組交流電信號(hào)的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，相位差的變化部分又與被測(cè)轉(zhuǎn)矩成正比[6-7]。 3系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

10、 本文設(shè)計(jì)的的數(shù)字采集系統(tǒng)以STM32作為核心，利用Keil5進(jìn)行編程，軟件流程圖如圖5所示，在采煤機(jī)靜止不動(dòng)的時(shí)候，振動(dòng)傳感器無(wú)法感受到振動(dòng)信號(hào)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不進(jìn)行工作，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。當(dāng)電牽引采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)信號(hào)將msp430單片機(jī)從低功耗喚醒，msp430單片機(jī)向主控芯片發(fā)出工作信號(hào)，采集系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的工作狀態(tài)，依次采集電牽引部分的振動(dòng)信號(hào)和采煤機(jī)中運(yùn)行中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)，信號(hào)采集的頻率為1次/5min。當(dāng)振動(dòng)信號(hào)長(zhǎng)期為0時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷為采煤機(jī)停止運(yùn)行，重新進(jìn)入低功耗，等待喚醒的命令。程序流程圖如圖5所示，圖中的T表示當(dāng)前時(shí)間與上次數(shù)據(jù)采集的時(shí)間差。振動(dòng)系統(tǒng)的控制器采

11、用msp430芯片，可以在IARfor430軟件平臺(tái)上進(jìn)行編程。振動(dòng)采集模塊的軟件流程如圖6所示，msp430單片機(jī)的在上電運(yùn)行后，先進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，之后進(jìn)入LPM0低功耗模式，等待振動(dòng)傳感器的振動(dòng)信號(hào)，當(dāng)msp430的端口接收到振動(dòng)產(chǎn)生的中斷時(shí)，振動(dòng)采集模塊被喚醒，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，并利用RS-485通訊協(xié)議和主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。 4總結(jié) 本文針以電牽引采煤機(jī)作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)數(shù)字信息采集系統(tǒng)。分析了電牽引采煤機(jī)的截割部分、牽引部分、電氣部分和相關(guān)的輔助系統(tǒng)的主要作用，明確數(shù)字采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括：主控芯片的選型、振動(dòng)采集電

12、路模塊的集成設(shè)計(jì)、電源電路抗干擾電路設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的選型方法，分別利用Keil5和IAR軟件對(duì)主控芯片的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)與燒寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字采集系統(tǒng)的功能。 參考文獻(xiàn)： ［1］張廣義.綜合機(jī)械化采煤工藝［J］.煤炭技術(shù)，2009，28（3）：60-62. ［2］郭俊，田慕琴，宋建成，等.綜采工作面生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［J］.煤炭技術(shù)，2016（7）：277-279. ［3］周元華.薄煤層電牽引采煤機(jī)智能控制關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2014. ［4］段寧寧.煤礦綜合機(jī)械化的采煤工藝研究探討［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（08）：81-81. ［5］夏洪波.基于DSP的電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.西安：西安科技大學(xué)，2015. ［6］黃平，王英，江先志.基于STM32的直流電機(jī)模糊PID調(diào)速系統(tǒng)研究［J］.機(jī)電工程，2017，34（4）：380-385. ［7］歐璐璐.基于直接轉(zhuǎn)矩控制的采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)研究［D］.淮南：安徽理工大學(xué)，2008.