靳華龍

（西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建第一分公司，太原 030053）

0 引言

隨著井下煤礦開采的現(xiàn)代化發(fā)展，國家管理部門越來越強(qiáng)調(diào)設(shè)備的高速、高效和安全可靠性，掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展趨向于機(jī)械電氣一體化[1-4]。相較于國際先進(jìn)的掘進(jìn)機(jī)控制技術(shù)，目前我國掘進(jìn)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展存在諸多短板[5-6]，在元器件的穩(wěn)定性和可靠性、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性和有效性、現(xiàn)場總線布置方式、智能化和人機(jī)一體化等方面還有很大的進(jìn)步空間[7-9]，為了提高掘進(jìn)機(jī)控制技術(shù)水平，本文研究了一種掘進(jìn)機(jī)可視化運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，提高了國產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化水平。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)

對(duì)于EBZ160系列鼠籠式電機(jī)而言，八成以上的故障是由定子繞組引起的，定子繞組的運(yùn)行溫度高，如遇冷卻回路不暢或運(yùn)行時(shí)間長等情況，極易發(fā)生絕緣損壞和匝間短路等故障。在截割電機(jī)內(nèi)部裝設(shè)雙金屬片式的溫度傳感器，當(dāng)定子繞組溫升超過80℃時(shí)，溫度開關(guān)立即斷開真空接觸器，避免電機(jī)發(fā)生故障。

1.2 電機(jī)電流監(jiān)測(cè)

掘進(jìn)機(jī)的電機(jī)數(shù)量多，主要有截割電機(jī)、油泵電機(jī)、錨桿電機(jī)、裝載電機(jī)、傳送帶傳送電機(jī)等，在供電不穩(wěn)的情況下，線路的過流保護(hù)繼電器和熔斷器動(dòng)作，防止電機(jī)長時(shí)間工作在惡劣環(huán)境下。電機(jī)電流監(jiān)測(cè)通過電流互感器進(jìn)行，當(dāng)監(jiān)測(cè)電流出現(xiàn)過流、斷相和過載等異?，F(xiàn)象時(shí)，控制器通過中間繼電器切斷電機(jī)電源。

1.3 瓦斯監(jiān)測(cè)

瓦斯超標(biāo)容易引起爆炸，因此瓦斯含量超標(biāo)后應(yīng)立即切斷電源回路。本質(zhì)安全型瓦斯傳感器采用電橋原理，裝設(shè)有瓦斯氣體敏感元件的橋臂在瓦斯?jié)舛壬吆蟠呋紵?，電橋輸出接入AD轉(zhuǎn)換模塊，本文設(shè)計(jì)的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)閾值為3%。

1.4 油位油溫監(jiān)測(cè)

長期工作的液壓系統(tǒng)油位和油溫會(huì)發(fā)生變化，帶熱敏觸點(diǎn)的油位開關(guān)和磁鐵浮子可以監(jiān)測(cè)油位和液壓油溫度，無論是油位低于標(biāo)定值還是溫升超過75℃，都會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，切斷電源回路迫使電機(jī)停機(jī)。

1.5 壓力監(jiān)測(cè)

噴霧系統(tǒng)上裝設(shè)有本安壓力開關(guān)，其輸出端連接到單片機(jī)的數(shù)字輸入端口。壓力低于斷開值會(huì)在處理器上顯示，噴霧壓力傳感器的原理是壓敏電阻組成的電橋，當(dāng)壓力變化時(shí)，不同的橋臂變形程度不同，電阻阻值也不同，所以電橋會(huì)輸出一個(gè)變化的電壓，經(jīng)過放大電路后處理成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，供單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊接收。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

監(jiān)控主板的功能是采集和處理掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)和現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，控制掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行，是整個(gè)設(shè)備機(jī)電控制監(jiān)控系統(tǒng)的核心。按照功能不同，主板上的硬件電路可分為EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、模擬量和開關(guān)量輸入模塊、LPC1768主控制器模塊、輸出電路及其驅(qū)動(dòng)電路模塊、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)CAN總線模塊，監(jiān)控系統(tǒng)主板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)主板結(jié)構(gòu)

2.1 電源電路

監(jiān)控主板上的供電主要指的是各類芯片供電電源3.3 V，外部輸入電源為交流127 V，經(jīng)過專門的礦用隔爆本安UPS變換為直流12 V，最大電流可達(dá)1 A。采用正向低壓降穩(wěn)壓芯片AMS1117對(duì)12 V電源進(jìn)行變換，可以得到3.3 V電源。AMS1117的穩(wěn)壓管由1個(gè)PNP型晶體管和NPN型晶體管組成，具有輸出精度高、溫度范圍寬的特點(diǎn)，其內(nèi)部還集成了溫度保護(hù)電路，能夠在結(jié)溫過高時(shí)自動(dòng)切斷電路。3.3 V電源電路設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

2.2 最小系統(tǒng)

LPC1768的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)、晶振電路設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)和擴(kuò)展存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)。LPC1768需要配置3個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘電路，除了主時(shí)鐘振蕩器，還需要配置RTC時(shí)鐘振蕩器和內(nèi)部RC時(shí)鐘振蕩器，在系統(tǒng)復(fù)位以后，控制器由內(nèi)部RC振蕩器提供時(shí)鐘，降低了LPC1768對(duì)外部時(shí)鐘的依賴程度。

2.3 CAN總線收發(fā)電路

CAN總線收發(fā)電路的核心芯片為SN65HVD230，其設(shè)計(jì)原理如圖3所示，圖中CANH和CANL之間并聯(lián)的電阻R7為終端電阻，其阻值根據(jù)導(dǎo)線的特性阻抗進(jìn)行選擇，本設(shè)計(jì)取120Ω。SN65HVD230的8腳Rs為斜率電阻R5輸入引腳，目的是使其工作在斜率控制方式。

2.4 開關(guān)量輸入輸出模塊

為了對(duì)掘進(jìn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全面監(jiān)控，需要獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的開關(guān)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的開關(guān)有空擋開關(guān)、空調(diào)開關(guān)、啟動(dòng)機(jī)開關(guān)和節(jié)氣門開關(guān)。在進(jìn)行開關(guān)量輸入電路設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)為電平匹配和電氣隔離，本設(shè)計(jì)中采用光電耦合芯片TLP521進(jìn)行解決，在傳遞信號(hào)的同時(shí)避免了直接的電氣聯(lián)系。

除了接收發(fā)動(dòng)機(jī)的開關(guān)量，監(jiān)控系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)具有對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制功能，這就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的開關(guān)量輸出電路，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路，開關(guān)量輸出電路設(shè)計(jì)原理如圖4所示。將LPC1768的P1口作為數(shù)據(jù)出口，經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存器74HC573和驅(qū)動(dòng)芯片74HC244，電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有驅(qū)動(dòng)三極管開通的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，之后由三極管傳輸開關(guān)量給中間繼電器。

2.5 模擬量輸入電路

圖2 3.3 V電源電路設(shè)計(jì)原理

圖3 CAN總線收發(fā)電路設(shè)計(jì)原理

圖4 開關(guān)量輸出電路設(shè)計(jì)原理

模擬量輸入電路采用運(yùn)算放大電路進(jìn)行前后級(jí)隔離，采用高輸入阻抗低輸出阻抗的LM358芯片，能夠放大電路的帶載能力，LM358設(shè)計(jì)原理如圖5所示。LM358具有兩路獨(dú)立、高增益的運(yùn)算放大器，可同時(shí)對(duì)傳感器1和傳感器2進(jìn)行電壓跟隨，其放大倍數(shù)約等于1。

圖5 LM358設(shè)計(jì)原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

監(jiān)控軟件的功能為CAN總線通信功能、控制輸出功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、數(shù)據(jù)分析功能及數(shù)據(jù)采集功能，主程序流程如圖6所示。執(zhí)行主程序時(shí)，首先系統(tǒng)初始化，即對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、CAN總線模塊、看門狗和定時(shí)器等的寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置。

圖6 主程序流程

圖7 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程

3.2 數(shù)據(jù)采集程序

整個(gè)控制系統(tǒng)有5路數(shù)字量輸入通道，在數(shù)字量開始轉(zhuǎn)換前，將單片機(jī)P0口設(shè)置為GPIO輸入模式，檢測(cè)到IO口的電平發(fā)生變化后判定數(shù)字量。系統(tǒng)中模擬量輸入通道為8路，模擬量輸入程序開始后，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的初始化，設(shè)置時(shí)鐘寄存器、AD轉(zhuǎn)換寄存器、采樣時(shí)間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式和數(shù)據(jù)量，為了濾除外部干擾，本程序采用加權(quán)平均方式進(jìn)行軟件濾波，采集到模擬量后存入相應(yīng)的FLASH，具體的程序流程如圖7所示。

3.3 輸出控制程序

控制程序包括主截割電機(jī)啟停、裝載液壓馬達(dá)啟停、錨桿鉆機(jī)啟停、冷卻水控制、報(bào)警控制、鏟板升降、輸送機(jī)啟停、行走控制和風(fēng)機(jī)控制。掘進(jìn)機(jī)截割前的準(zhǔn)備動(dòng)作流程如圖8所示，程序開始后判斷掘進(jìn)機(jī)是否平穩(wěn)，然后控制電磁閥升降動(dòng)作，按順序開啟刮板輸送機(jī)電磁閥和裝載電磁閥，最后進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)。

圖8 截割前的準(zhǔn)備動(dòng)作流程

3.4 通訊程序

CAN總線通信程序是建立在總線協(xié)議之上的，通過對(duì)LPC1768 CAN內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置完成其通信程序設(shè)計(jì)。初始化CAN控制器時(shí)，需要設(shè)置總線時(shí)鐘頻率、波特率寄存器和濾波寄存器，初始化完成后設(shè)置CAN控制器，設(shè)置的順序：關(guān)閉使能，設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)、電平下降沿和中斷引腳，設(shè)置定時(shí)器，設(shè)置數(shù)據(jù)格式。通信程序CAN協(xié)議幀響應(yīng)流程如圖9所示，當(dāng)所傳輸幀正確后存入寄存器，幀錯(cuò)誤后發(fā)送誤幀信號(hào)后清除內(nèi)存。

圖9 通信程序CAN協(xié)議幀響應(yīng)流程

4 結(jié)束語

基于LPC1768的掘進(jìn)機(jī)可視化運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)具有高速、低功耗、低成本等特點(diǎn)，CAN現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)了分散控制，硬件上表現(xiàn)為接線簡單可靠，不同的現(xiàn)場設(shè)備能夠相對(duì)獨(dú)立工作，本文所研發(fā)的礦用掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)具有適應(yīng)性和可靠性好的特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化控制。