張曉嵐

（陽(yáng)泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉045000）

1 概 況

采煤機(jī)是礦井綜采面重要設(shè)備。礦井工作面生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜惡劣，采煤機(jī)長(zhǎng)期處于高溫、多粉塵環(huán)境下，加上操作人員的不正確操作，易發(fā)生各類故障，如電控單元故障、液控單元故障、機(jī)械系統(tǒng)故障等，導(dǎo)致采煤機(jī)設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。

目前大多數(shù)采煤機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用PLC控制器作為核心處理單元，可以實(shí)現(xiàn)一定的監(jiān)測(cè)功能，但對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)運(yùn)算處理能力差，尤其面對(duì)海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，往往出現(xiàn)“小牛拉大車”問(wèn)題。另外PLC控制器運(yùn)行高級(jí)智能算法能力略顯不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)故障快速、精確診斷功能。為此，本文基于DSP控制器設(shè)計(jì)了一套采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，利用DSP高速度、高精度的運(yùn)算能力，可對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行快速有效數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，結(jié)合智能控制算法，可迅速在線診斷識(shí)別各類故障，改善了統(tǒng)PLC控制器存在的問(wèn)題，為采煤機(jī)的安全運(yùn)行提供保障。

2 系統(tǒng)方案

采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)方案如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由工控機(jī)、服務(wù)器、LED大屏、DSP處理器、傳感檢測(cè)單元、開(kāi)關(guān)量輸入單元、變頻調(diào)速單元、鍵盤輸入單元、液晶顯示單元、聲光報(bào)警單元、RS485總線通信單元、CAN總線通信單元等組成。

圖1 采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)方案Fig.1 Shearer condition monitoring and fault diagnosis system scheme

DSP處理器是系統(tǒng)的核心設(shè)備，集數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、控制功能于一體，主要負(fù)責(zé)模擬量信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)的采集處理、智能控制模型的運(yùn)行以及對(duì)變頻調(diào)速單元的控制；遠(yuǎn)程控制中心包括工控機(jī)、服務(wù)器、LED大屏，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障的進(jìn)一步分析等；鍵盤輸入單元用于傳感器閾值范圍、參數(shù)的設(shè)定；聲光報(bào)警裝置用于故障預(yù)警；液晶顯示單元負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；變頻調(diào)速單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的牽引動(dòng)作，同時(shí)可將自身監(jiān)測(cè)參數(shù)發(fā)送給DSP處理器；傳感檢測(cè)單元負(fù)責(zé)對(duì)采煤機(jī)自身的運(yùn)行狀態(tài)、周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；開(kāi)關(guān)量輸入單元負(fù)責(zé)采集電控系統(tǒng)的各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，為故障分析提供數(shù)據(jù)支持；DSP處理器與遠(yuǎn)程工控機(jī)之間通過(guò)CAN總線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，變頻調(diào)速單元與DSP處理器之間通過(guò)RS485通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 硬件方案設(shè)計(jì)與選型

3.1 DSP控制器選型

采用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335芯片為核心處理器，該芯片為32位浮點(diǎn)芯片，擁有豐富的外設(shè)模塊，在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛，具備高速運(yùn)算能力，可對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)通過(guò)內(nèi)置的智能處理模型進(jìn)行故障診斷。通過(guò)SCI通信接口設(shè)計(jì)RS-485通信電路實(shí)現(xiàn)與變頻器的數(shù)據(jù)傳輸，而遠(yuǎn)程控制中心與DSP控制器之間則通過(guò)CAN總線通信方式傳輸，借助DSP控制器內(nèi)置的局部控制器（eCAN）即可實(shí)現(xiàn)。

3.2 傳感器檢測(cè)設(shè)備選型

傳感器檢測(cè)單元負(fù)責(zé)對(duì)采煤機(jī)整機(jī)的運(yùn)行狀況及工作面周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為故障診斷模型提供數(shù)據(jù)支持。本系統(tǒng)需要采用的傳感器包括溫度傳感器、電流互感器、振動(dòng)傳感器、壓力傳感器、傾角傳感器，具體的傳感器型號(hào)及功能見(jiàn)表1。

表1 傳感器型號(hào)選擇及功能Table 1 Sensor type selection and function

3.3 RS 485通信電路設(shè)計(jì)

DSP控制器與變頻調(diào)速單元之間采用RS485通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可將變頻器的工作參數(shù)如電壓、電流、頻率等數(shù)字信號(hào)信息反饋給DSP控制器，DSP與變頻調(diào)速單元之間RS485通信電路的接口電路如圖2所示。

圖2 RS485通信電路Fig.2 RS485 communication circuit

RS485通信電路采用了MAX485芯片，將該芯片的RO引腳與DSP控制器內(nèi)置串口SCIB模塊的SCIRXDB引腳連接，RE引腳與DE引腳連接GPIOB引腳，A和B引腳連接變頻器，VCC電壓為5 V，SCITXDB與SCIRXDB為DSP的SCIB發(fā)送引腳與接收引腳。

GPIOB是DSP控制收發(fā)引腳，當(dāng)GPIOB為低電平時(shí)，MAX485處于接收狀態(tài)，當(dāng)GPIOB為高電平時(shí)，MAX485處于發(fā)送狀態(tài)。

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)主程序流程框圖設(shè)計(jì)

針對(duì)DSP控制器TMS320F28335，采用TI公司開(kāi)發(fā)的專用軟件CCS3.3（Code Composer Studio）來(lái)進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)、編寫和調(diào)試。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，提高編程效率，同時(shí)利用程序調(diào)用的思想來(lái)進(jìn)行程序執(zhí)行，提高程序的執(zhí)行效率。

整個(gè)下位機(jī)程序包括DSP處理器主執(zhí)行程序、傳感器模擬量采集檢測(cè)程序、開(kāi)關(guān)量輸入程序、聲光報(bào)警程序、液晶顯示程序、鍵盤輸入程序、CAN總線通信程序、變頻調(diào)速控制程序等。系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程框圖Fig.3 Main program flow

4.2 采煤機(jī)故障診斷模塊程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的故障診斷模塊工作流程如圖4所示。

圖4 故障診斷程序流程Fig.4 Fault diagnosis program flow

首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，傳感器數(shù)據(jù)采集，接著DSP控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后通過(guò)智能控制算法進(jìn)行故障診斷。程序中，需要對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理和傅里葉變換，提取需要的特征值。智能控制算法采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。DSP控制器故障診斷結(jié)果將通過(guò)CAN總線通信方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)PLC型采煤機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了一種基于DSP控制器的采煤機(jī)故障診斷系統(tǒng)，借助DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力，系統(tǒng)可以快速對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、特征識(shí)別，并在線運(yùn)行智能控制算法，及時(shí)有效地對(duì)采煤機(jī)發(fā)生的各種故障進(jìn)行分類診斷，提高了采煤機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)水平和故障應(yīng)對(duì)能力。