王 銘

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電管理處，山西大同 037003）

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)的傳輸、工作的實(shí)施，需要在統(tǒng)一的通訊協(xié)議下，使用物理計(jì)量的傳感器采集信息，然后通過(guò)有線電線進(jìn)行遠(yuǎn)距離的輸送，這種方法主要依賴于安全報(bào)警系統(tǒng)電腦的中央處理器來(lái)進(jìn)行操作，但是只能以只讀的方式在顯示器上顯示，等待工作人員的檢查[1]。如今，采煤機(jī)有了新的功能——變頻安全預(yù)警，采煤機(jī)的變頻安全預(yù)警主要是由安全信息的收集、遠(yuǎn)距離的輸送、數(shù)據(jù)處理與顯示這3部分組成，對(duì)應(yīng)安全信息收集系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離輸送系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)這3個(gè)系統(tǒng)。采煤機(jī)溫度、振動(dòng)等數(shù)據(jù)都是由安全數(shù)據(jù)來(lái)記錄的，現(xiàn)場(chǎng)的總線主要是在同一通訊的前提下由遠(yuǎn)距離輸出來(lái)傳送。而傳送后數(shù)據(jù)的處理與顯示主要在監(jiān)控中心的電腦上由中央處理器等來(lái)完成的。

1 預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 通訊模塊

通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示，數(shù)據(jù)的收發(fā)機(jī)是MAX485，它的主要作用是收集采煤機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)RS-485將數(shù)據(jù)傳送。但是在實(shí)施的過(guò)程中有兩個(gè)重要的問(wèn)題需要考慮，一是在數(shù)據(jù)的傳出和接收的時(shí)候怎樣能保證數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性；二是在數(shù)據(jù)的輸送過(guò)程中如果有的設(shè)備出現(xiàn)故障，怎樣能保持RS-485在使用的過(guò)程中保證數(shù)據(jù)不受影響，順利到達(dá)控制中心，同時(shí)確保電路不能出現(xiàn)過(guò)載，不能影響整個(gè)線路的運(yùn)行，如果出現(xiàn)意外，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)和設(shè)備帶來(lái)不能挽回的損失。

圖1 系統(tǒng)通訊原理

1.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

通過(guò)對(duì)采煤機(jī)變頻器工作環(huán)境、安全報(bào)警系統(tǒng)對(duì)主控機(jī)的要求和經(jīng)濟(jì)實(shí)用型，選擇了STC15W4K56S4型單片機(jī)當(dāng)做下位機(jī)的主控機(jī)，它的運(yùn)行速度為115 kb/s、內(nèi)部是由A/D轉(zhuǎn)換器和比較器組成的。它在運(yùn)行過(guò)程中有耗能低、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，主要是因?yàn)轫樞虮容^器在每一次運(yùn)行的時(shí)候把設(shè)備輸入的電壓與A/D轉(zhuǎn)換器輸入的電壓進(jìn)行對(duì)比后再運(yùn)行，這一轉(zhuǎn)換的過(guò)程是由單片機(jī)內(nèi)部的累加器來(lái)運(yùn)行的[2]。

2 預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)

為了達(dá)到設(shè)備變頻器的安全預(yù)警在數(shù)據(jù)收集中的要求，主要是由TC15W4K56S4型單片機(jī)組成的下位機(jī)對(duì)設(shè)備變頻器的溫度、振動(dòng)等物理數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，從現(xiàn)場(chǎng)總線輸出后，通過(guò)通訊模塊的子程序、數(shù)模轉(zhuǎn)換子程序、溫度和數(shù)據(jù)處理的子程序組成的軟件系統(tǒng)作用后完成了對(duì)變頻器安全情況的檢查工作。

為了提高預(yù)警系統(tǒng)上位機(jī)的準(zhǔn)確性，通過(guò)增加采集、運(yùn)輸、處理等環(huán)節(jié)的敏感度。并且提出了改進(jìn)后的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)收集溫度數(shù)據(jù)，用均方誤差的方法算出離散點(diǎn)，分析其振動(dòng)能量和信息，圖2所示為下位機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 系統(tǒng)下位機(jī)框圖

2.2 上位機(jī)

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)上位機(jī)的人機(jī)交換界面時(shí)，首先為了方便不同級(jí)層的工作人員來(lái)操作設(shè)備并且不受限制，對(duì)設(shè)備安裝了安全預(yù)警界面。在系統(tǒng)通電之后，將第一次通過(guò)指令校準(zhǔn)的系統(tǒng)接口和測(cè)試密碼的訪問(wèn)參數(shù)都設(shè)置在相同的時(shí)間。在工作人員到達(dá)設(shè)置這一步驟時(shí)使用編號(hào)，若是設(shè)備需要維修時(shí)，高級(jí)用戶需要獲取權(quán)限或者聯(lián)系廠家[3]。為了方便安全人員能夠隨時(shí)查看設(shè)備變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在顯示屏上，設(shè)備會(huì)通過(guò)歷史曲線將機(jī)器運(yùn)行的一段時(shí)間內(nèi)溫度和振動(dòng)等物理數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)設(shè)備安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，相關(guān)零件的監(jiān)測(cè)主要是為了預(yù)警哪一部分的硬件發(fā)生了故障，這是硬件調(diào)試的主要目的。解決在設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題和電路板在生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)的故障，使它們符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求[4]。

在硬件調(diào)試的時(shí)候，主要是通過(guò)以下幾個(gè)方面進(jìn)行的。在生產(chǎn)電路板之前，需要按照功能的設(shè)計(jì)逐一比較，在完成設(shè)備硬件的組裝和焊接之后，需要將硬件的原理圖、接線圖為參考將電氣元件進(jìn)行靜態(tài)檢查，確保集成電路芯片的焊接沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題。隨后通過(guò)萬(wàn)用表進(jìn)行檢測(cè)，按照模塊化的測(cè)試方向進(jìn)行測(cè)試，確保各個(gè)部分的焊接不能出現(xiàn)短路現(xiàn)象，在測(cè)試的最后階段對(duì)電板的性能進(jìn)行檢查，根據(jù)模塊化的思維檢查安全預(yù)警的子程序是否達(dá)到想要的標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 通訊測(cè)試

為了對(duì)采煤機(jī)變頻器安全報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，通訊測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)使用觸摸屏、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、串口調(diào)試助手對(duì)Modbus系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)驗(yàn)證[5]。通訊測(cè)試系統(tǒng)主要是以Modbus為基礎(chǔ)然后在上位機(jī)的觸摸屏上設(shè)置數(shù)據(jù)與程序，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)發(fā)送到下位機(jī)單片RS-485。通訊測(cè)試系統(tǒng)的原理如圖3所示，它主要是通過(guò)通信參數(shù)，將串口調(diào)試收集到的數(shù)據(jù)處理后顯示在大屏幕上，并且與單次檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比從而完成對(duì)系統(tǒng)的檢查[6]。

圖3 通訊測(cè)試原理圖

3.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

實(shí)驗(yàn)板A/D轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性是由計(jì)算機(jī)、串口調(diào)試器、串口調(diào)試器通訊電纜等一起實(shí)現(xiàn)的[7]。在設(shè)備運(yùn)行的時(shí)候，為了增加數(shù)模轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，主要是通過(guò)減少外部的測(cè)試電位器對(duì)單片機(jī)數(shù)模接口的脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電位器的輸出電壓小于等于5 V時(shí)，設(shè)備對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器有16次的累加，其中最大的變換數(shù)為8，而誤差控制在0.04%以內(nèi)，但是在單片機(jī)內(nèi)置的數(shù)模轉(zhuǎn)換器為10時(shí)，數(shù)據(jù)小于等于0.12%[8]，而AD的最大變化數(shù)為20。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)傳統(tǒng)采煤機(jī)變頻器在運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)行環(huán)境和發(fā)生意外時(shí)的報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的分析，明確了需要改進(jìn)后的采煤機(jī)變頻安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)該有以下幾個(gè)功能：數(shù)據(jù)的收集、遠(yuǎn)程的監(jiān)控、實(shí)時(shí)通訊等。同時(shí)也要對(duì)溫度、振動(dòng)等一系列物理數(shù)據(jù)也要進(jìn)行記錄。除此之外，該系統(tǒng)也要包含模塊化設(shè)計(jì)的要求，使用RS-485達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集傳送的要求后，使用前端布置的方法達(dá)到通訊電纜的簡(jiǎn)便化。同時(shí)，在不同的環(huán)境下，不同類型的數(shù)據(jù)傳輸也要達(dá)到處理標(biāo)準(zhǔn)，若環(huán)境艱苦的時(shí)候，可以選用容量大、處理速度快、集成度高的STC15W4K56S4當(dāng)做下位機(jī)的指揮中心來(lái)進(jìn)行下位機(jī)系統(tǒng)的實(shí)施。隨后，使用MODBUS等系統(tǒng)來(lái)檢查設(shè)備的通訊功能、AD轉(zhuǎn)換功能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)V井下面環(huán)境惡劣、工作步驟繁雜時(shí)采煤機(jī)的變頻安全預(yù)警系統(tǒng)的作用不能使用時(shí)，如果通過(guò)前端溫度、振動(dòng)等信號(hào)的數(shù)據(jù)來(lái)收集，并且使用RW-485的設(shè)備來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸，發(fā)現(xiàn)它有穩(wěn)定性強(qiáng)、運(yùn)輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。