陳旭寧

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司， 山西 太原 030000）

引言

目前煤礦井下采煤機(jī)主控調(diào)速系統(tǒng)絕大多數(shù)都是采用PLC為主控制器，造成了控制器體積大、成本高、通信方式比較單一、擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，在一定程度上限制了其進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。所以本文在此基礎(chǔ)上提出了一種基于嵌入式的采煤機(jī)調(diào)速主控系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)采用Linux作為底層的操作系統(tǒng)，在處理器方面采用了比較先進(jìn)的ARM9系列的AT91SAM9G20，主頻能夠達(dá)到400 MHz。同時(shí)這款芯片還具備強(qiáng)大的通信功能和外圍的電路接口，在價(jià)格方面也比較實(shí)惠?；旧夏軌蚪鉀QPLC系統(tǒng)的所有缺點(diǎn)[1]，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的人際交互界面，具有強(qiáng)大的可定制性。

1 主控系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由管理層、控制層以及I/O接口層三部分組成。其中管理層主要的任務(wù)是監(jiān)控采煤機(jī)的工作狀態(tài)，將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及存儲(chǔ)，同時(shí)還負(fù)責(zé)人機(jī)界面的數(shù)據(jù)交互?？刂茖拥闹饕蝿?wù)是完成采煤機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)相關(guān)算法的計(jì)算以及實(shí)現(xiàn)控制過程，同時(shí)還負(fù)責(zé)計(jì)算外接傳感器等傳輸回來的數(shù)據(jù)，是整個(gè)采煤機(jī)控制系統(tǒng)的核心所在。而I/O用戶接口主要是負(fù)責(zé)與外接的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，比如說傳感器采集到的信息以及控制器的命令下達(dá)都要通過這一層。

2 主控系統(tǒng)硬件部分

如圖1所示為主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，從圖中我們可以看出主控系統(tǒng)大致由CPU核心控制單元、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、I/O模塊、存儲(chǔ)電路模塊、通信模塊、無線模塊等組成。

圖1 主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 CPU選型

在整個(gè)控制系統(tǒng)中CPU性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到這個(gè)系統(tǒng)的性能好壞，在選擇CPU時(shí)我們不僅要考慮數(shù)據(jù)處理能力，還需要考慮所支持的通信接口多少、I/O接口的數(shù)量以及自身具備的存儲(chǔ)能力等。本文采用了應(yīng)用比較廣泛的ARM系列處理器，具體型號(hào)為AT91SAM9G20，是一款A(yù)RM9系列的擁有400 MHz主頻的處理器。能夠搭載Linux系統(tǒng)，含有32 KB的高速緩存，2個(gè)CAN接口和1個(gè)以太網(wǎng)接口。同時(shí)還具有4個(gè)12位的A/D通道，以及DMA處理器。最多支持105個(gè)I/O口[2]。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

一個(gè)控制系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵就是電源能夠穩(wěn)定可靠的工作，所以本系統(tǒng)的重點(diǎn)設(shè)計(jì)也是通過電源設(shè)計(jì)展開。而在設(shè)計(jì)電源時(shí)由于系統(tǒng)里面包含的電壓等級(jí)多，交流和直流都有用到，如何做到不同電壓種類之間的隔離防止相互干擾直接關(guān)系到電源的質(zhì)量。本文中用到24 V直流電源的有顯示器和繼電器，這里采用AC220S24DC電壓轉(zhuǎn)換芯片直接將交流220 V的電壓轉(zhuǎn)換為24 V的直流電源。中間還裝有熔斷器。對(duì)電源中電流超標(biāo)后引起事故起到保護(hù)作用，同時(shí)在輸出端利用電解電容來濾除電源里的紋波使直流成分更加的干凈。除此之外系統(tǒng)中還用到了5 V和3.3 V的電壓，這些電壓都是通過電源轉(zhuǎn)換芯片來降壓達(dá)到的，在輸出側(cè)都有電解電容進(jìn)行濾波。

2.3 數(shù)字量模擬量處理

本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集包括數(shù)字量和模擬量兩種數(shù)據(jù)類型：

1）使用開關(guān)量信號(hào)的一般是采煤機(jī)的一些控制部件，用來控制開關(guān)和向CPU傳遞設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)。本電路將開關(guān)量信號(hào)通過光電隔離模塊后直接傳輸?shù)紺PU的I/O口。而開關(guān)量輸出主要是用來控制繼電器的通斷，將輸出的數(shù)字量信號(hào)同樣的經(jīng)過光電隔離模塊后到達(dá)控制器件。本文中采用的光電隔離模塊的型號(hào)為PS2805-4，該芯片具有雙向?qū)ǖ奶匦?，最多可以進(jìn)行4通道的信號(hào)隔離。而繼電器的驅(qū)動(dòng)采用型號(hào)為ULN2803的8路達(dá)林頓管來進(jìn)行[3]。

2）由于采煤機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)有相當(dāng)一部分是采用模擬量來控制的，并且CPU只能識(shí)別電壓信號(hào)，所以我們?cè)O(shè)計(jì)了一款可以進(jìn)行模擬量轉(zhuǎn)換的電路，如圖2所示，可以將4～20 mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號(hào)。方便CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

圖2 信號(hào)調(diào)理模塊

2.4 通信設(shè)計(jì)

由于采煤機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣，對(duì)通信的干擾比較多，所以我們綜合考慮采用抗干擾能力比較強(qiáng)的CAN總線來實(shí)現(xiàn)通信。由于CPU內(nèi)部支持CAN通信，只需要設(shè)計(jì)外部發(fā)CAN收發(fā)模塊就可以了。這里采用型號(hào)為8X250的CAN芯片來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)。為了減少干擾依然采用光電隔離模塊來隔離信號(hào)，同時(shí)還采用了防止浪涌和雷擊的模塊，型號(hào)分別是PSM712和SMD014。

2.5 無線遙控設(shè)計(jì)

為了方便井下采煤機(jī)的控制，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款無線遙控器，具體的功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。從圖中可以看出遙控器可以分為兩部分遙控主機(jī)和副機(jī)。其中主機(jī)采用STM32L系列的芯片作為主控芯片，這款芯片最大的特點(diǎn)就是低功耗。除此之外還有電源和鍵盤模塊。而由于副機(jī)不用考慮供電問題，所以我們采用STM32F系列主打性能的芯片CPU，與設(shè)備的通信采用RS-485總線而協(xié)議則采用工業(yè)上普遍使用的Modbus協(xié)議。從而能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，并通過遙控器來控制采煤機(jī)[4]。

3 主控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的所有軟件都是建立在Linux的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。根據(jù)具體的功能采用模塊化的設(shè)計(jì)思路來實(shí)現(xiàn)的。

圖3 無線遙控器結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 Linux系統(tǒng)移植

由于采煤機(jī)操作任務(wù)比較復(fù)雜，動(dòng)作線程比較多所以這里引入了Linux作為底層的操作系統(tǒng)。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)多線程的處理，以充分的利用CPU資源[5]。同時(shí)Linux操作系統(tǒng)還在通信管理、內(nèi)存管理、文件管理方面都具有很優(yōu)秀的特質(zhì)。以下是具體的系統(tǒng)移植流程：

1）由于Linux固有的特點(diǎn)所以不能夠在開發(fā)板上直接進(jìn)行安裝和調(diào)試，而是需要在計(jì)算機(jī)上編輯完成后下載到開發(fā)板上。首先要需要在官方網(wǎng)站上下載系統(tǒng)的源碼，并對(duì)其進(jìn)行內(nèi)核文件的配置；然后進(jìn)行交叉編譯。

2）其次是對(duì)系統(tǒng)根據(jù)需求進(jìn)行內(nèi)核的定制，主要包含中斷管理、內(nèi)存管理、中斷服務(wù)程序等。這些功能都是在完成系統(tǒng)的源代碼編譯后進(jìn)行的。具體的編譯過程可以通過Makefile文件來實(shí)現(xiàn)[6]。

3）BootLoader程序在Linux系統(tǒng)中的作用就是初始化時(shí)引導(dǎo)程序運(yùn)行到用戶程序上，首先是啟動(dòng)硬件設(shè)備進(jìn)行初始化，然后是準(zhǔn)備RAM空間和代碼的拷如，最后是對(duì)程序進(jìn)行配置堆棧和設(shè)置程序指針的入口。這些都進(jìn)行完畢后就是一些用戶程度的驅(qū)動(dòng)底層配置了。

4）文件系統(tǒng)也是移植系統(tǒng)重要的一環(huán)，根文件系統(tǒng)是基于busybox來完成的。

3.2 控制功能程序設(shè)計(jì)

采煤機(jī)的核心部件就是電機(jī)，所以我們控制器程度的核心也就是對(duì)電機(jī)的控制，其中包括具體的算法程序、通信程序以及數(shù)據(jù)的采集和處理程序等。為了更好地控制采煤機(jī)的電機(jī)，本文采用了比較先進(jìn)的最小拍無紋波控制算法來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的控制流程如下頁圖4所示。

從流程圖中我們可以看出，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)完成初始化后接下來就是根據(jù)通信管理機(jī)和無線遙控器來進(jìn)行采煤機(jī)電機(jī)的速度監(jiān)測(cè)和控制，然后將采集到的信息上傳到CPU，而CPU會(huì)根據(jù)預(yù)定的控制算法來進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，然后將計(jì)算后的速度數(shù)據(jù)傳輸給電機(jī)。其中通信管理模塊主要是負(fù)責(zé)傳遞信息，而遙控主機(jī)主要是用來控制采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 主控裝置程序流程圖

4 試驗(yàn)性能測(cè)試

由于國家對(duì)煤礦設(shè)備都有嚴(yán)格的參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)，所以在實(shí)際使用前都要經(jīng)過嚴(yán)格的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到的測(cè)試結(jié)果如表1所示：

表1 測(cè)試結(jié)果

從表1中可以看出：本系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)都滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，并且達(dá)到了國家相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。具備了實(shí)用的可能性。

5 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)室功能驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)性測(cè)試驗(yàn)證了本系統(tǒng)功能的完整性以及運(yùn)行的穩(wěn)定性，完全符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用要求。也證明了本設(shè)計(jì)的科學(xué)性以及合理性，為礦井下同類新設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。

[1] 唐文凱.針對(duì)電牽引采煤機(jī)概念設(shè)計(jì)的相關(guān)研究[J].科技與創(chuàng)新，2015（20）：107-108.

[2] 王劍.電牽引采煤機(jī)概念設(shè)計(jì)力法研究[J].煤礦機(jī)械，2015，36（4）：118-120.

[3] 王慶紅，王紅英.基于計(jì)算機(jī)控制的采煤機(jī)開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)研究.煤炭技術(shù)，2014，33（1）：48-50.

[4] 何明星.電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)離散時(shí)間控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

[5] 范漢斌.PLC的生產(chǎn)機(jī)械控制電路缺陷與改進(jìn)探討[J].科技與創(chuàng)新，2015（16）：84-85.

[6] 趙華瑋.基于Linux平臺(tái)的煤礦智能瓦斯巡檢技術(shù)[J].煤炭技術(shù)，2016，35（3）：243-244.