葉 青，覃正強

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545036；2.百色職業(yè)學(xué)院，廣西 百色 533000）

0 引言

隨著煤礦高質(zhì)量發(fā)展的需求不斷提升，現(xiàn)代化礦井努力通過推進“四化”來提升安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化水平，已經(jīng)成為現(xiàn)階段的業(yè)界共識與普遍追求。在科學(xué)技術(shù)的驅(qū)動作用持續(xù)釋放的當(dāng)下，煤礦綜采工作面的自動化、信息化、智能化改造水平仍要進一步提高。采煤機作為煤礦綜采工作面實現(xiàn)高質(zhì)量回采的核心設(shè)備，有必要增加自動化技術(shù)的投入。而從現(xiàn)階段國內(nèi)中型煤礦的綜采工作面采煤機運行情況看，多數(shù)仍以人工操控或遙控器操控為主，不具備高水平的自動控制能力。本研究設(shè)計一種基于DSP 技術(shù)的計算機自動控制系統(tǒng)，面向自動化工作面建設(shè)要求，以雙DSP 為主架構(gòu)，發(fā)揮DSP 的獨特數(shù)算能力實現(xiàn)對綜采工作面采煤機的日常作業(yè)工況的數(shù)據(jù)采集與處理，以達到采煤機自動截割、遠程監(jiān)控，組態(tài)設(shè)計穩(wěn)定等目的，最終提升綜采工作面采煤機的操作自動化水平。

1 自動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

綜采工作面若擁有較為穩(wěn)定的煤層以及頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)，煤層厚度較大，則在推行綜采工藝的過程中機械化程度將明顯高于95%。綜采工作面一般都會布置眾多具有不同功能的大型設(shè)備，諸如滾筒采煤機、液壓支架、刮板輸送機、順槽轉(zhuǎn)載機、帶式輸送機等。其中，采煤機具有關(guān)鍵性地位，往往擁有較復(fù)雜結(jié)構(gòu)。所研究設(shè)計的綜采工作面采煤機計算機自動控制系統(tǒng)采用主從雙DSP 控制內(nèi)核結(jié)構(gòu)，建立DSP/BIOS 即時嵌入式操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能是：由機組傳感器對不同數(shù)據(jù)進行采集，實現(xiàn)實時通訊，確保輸入輸出的靈活控制，有效完成自動截割等工藝組合，接受遠程監(jiān)控保障安全生產(chǎn)，簡言之就是采煤機主要包括基礎(chǔ)控制、自動截割、工藝配組、遠程監(jiān)控等功能[1]。

主DSP 采用德州儀器（TI）公司研發(fā)的32 位定點微控制單元（MCU）TMS320F2812，具備多重總線接口，實現(xiàn)采煤機自動控制系統(tǒng)的信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、交互通信等基本功能；輔DSP 采用TI 公司的TMS320F28335，具有32 位浮點處理單元，實現(xiàn)自動控制相關(guān)的算法處理，緩解軟件開發(fā)壓力；雙DSP 間經(jīng)SPI 總線接口建立通信渠道。而采煤機自動控制系統(tǒng)的遠距離監(jiān)控功能將采用CAN 總線來連接采煤機與上位機，前者的工況數(shù)據(jù)傳至上位機后，后者直接發(fā)布命令指揮采煤機的實時動作。自動控制系統(tǒng)的硬件如圖1 所示。

圖1 采煤機的計算機自動控制系統(tǒng)硬件

采煤機的計算機自動控制系統(tǒng)主要工作原理為：主DSP 完成機組運行狀態(tài)的物理量監(jiān)測、采集、通信，在數(shù)據(jù)解碼處理中準(zhǔn)確定位采煤機在綜采工作面的位置，獲取機身傾斜角度與俯仰角度以及搖臂高度，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均在本地和遠程監(jiān)控平臺上同步顯示。主DSP 將電氣系統(tǒng)的電氣參數(shù)以及工作面煤層建模數(shù)據(jù)一并發(fā)送至輔DSP，后者執(zhí)行相應(yīng)的機組截割負載預(yù)測、牽引速率自控、搖臂調(diào)高預(yù)控、故障預(yù)測等算法，并將數(shù)據(jù)傳回主DSP 后實現(xiàn)采煤機組的控制[2]。

2 自動控制系統(tǒng)的功能設(shè)計

采煤機的計算機自動控制系統(tǒng)的功能如圖2 所示。自動控制系統(tǒng)主要有基本控制、自動截割、工藝配組、遠程監(jiān)控等功能。

圖2 自動控制系統(tǒng)的功能

2.1 基本控制模塊設(shè)計

2.1.1 接口模塊設(shè)計

在數(shù)字量接口模塊設(shè)計方面，可由主DSP 的通用輸入輸出多路復(fù)用器GPIO 口通過復(fù)雜可編程邏輯器CPLD 擴展，并經(jīng)IO 接口的光電隔離設(shè)計來完成。此設(shè)計方法可增進對控制單元的保護，并能提升IO 接口的驅(qū)動電壓，達到匹配采煤機自動控制所要求的24 V。

在數(shù)字量采集模塊設(shè)計方面，機組上搭載傳感器，發(fā)出具有固定格式的命令來采集機組的傾角、變頻器、編碼器以及慣導(dǎo)數(shù)據(jù)等數(shù)字量信號，采用RS485 接口通訊，確保數(shù)據(jù)達到10 Mbps 的高傳輸速率，并增強信號抗擾性，提升傳輸距離。

在模擬量采集模塊設(shè)計方面，主要通過主DSP內(nèi)部的ADC 模塊來發(fā)揮作用，該模塊具有16 路，輸入電壓不超過3.3 V，因此電壓信號需經(jīng)轉(zhuǎn)化來達到電平要求。采煤機的模擬量信號一般包括牽引或截割單元的電流電壓等電氣參數(shù)以及工作面區(qū)域的瓦斯?jié)舛鹊萚3]，故可選ADC 模塊16 路中的不同接口形成對應(yīng)模擬量的通道接口見表1。

表1 ADC 模塊模擬量采集通道接口擬配

在通信模塊設(shè)計方面，可使用RS232 串口建立通訊接口，由主DSP 內(nèi)異步串口SCIA 連接MAX3232 芯片而成，通過引腳連接可建立機組與外顯示屏的交互通訊。

2.1.2 基于DSP/BISO 系統(tǒng)的程序設(shè)計

采煤機的計算機自動控制系統(tǒng)可利用DSP/BISO系統(tǒng)來完成編程，降低編程難度，提升程序運行效率。DSP/BISO 系統(tǒng)同樣由TI 公司開發(fā)設(shè)計，是一類實時性的操作系統(tǒng)，其擁有4 類線程，且優(yōu)先級各有不同，見表2。

表2 DSP/BISO 系統(tǒng)的線程說明

圖3 采煤機的計算機自動控制系統(tǒng)軟件的主程主程序中，主DSP 的程序功能主要包括通過PRO 周期函數(shù)來發(fā)布中斷信息采集的命令，而且針對模擬量與數(shù)字量的采集中斷程序也有所不同。對已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)TSK 數(shù)據(jù)指令來解析數(shù)據(jù)后獲得采煤機的準(zhǔn)確工況信息以及對應(yīng)的作業(yè)運行操控指令。

圖3 自動控制系統(tǒng)的軟件程序

對于系統(tǒng)子程序的設(shè)計，考慮到DSP/BISO 系統(tǒng)屬于搶占式的任務(wù)機制，因此不同的系統(tǒng)子程序可視為不同線程，因此結(jié)合機組的實際控制需求以及程序響應(yīng)啟動的時間可將不同的系統(tǒng)子程序置于不同模塊中運行?？蓪?shù)據(jù)采集與通信等相關(guān)子程序置于HW1 線程中，而可將數(shù)據(jù)的銜接與存貯等相關(guān)子程序置于SW1 線程中。從采煤機組的控制優(yōu)先級看，要先等其他子程序執(zhí)行完取得結(jié)果后才能激發(fā)運行，進程機組控制可進入到TSK 線程中。因不少傳感器需要在采煤機發(fā)出命令后才會采集并發(fā)回傳感數(shù)據(jù)，因此可把發(fā)送命令的子程序置于SW1 軟件中斷中[4]。

2.1.3 雙DSP 通訊的設(shè)計

系統(tǒng)總體方案中提到雙DSP 間經(jīng)SPI 總線接口建立通信渠道。SPI 屬于全雙工通信，可同時滿足雙DSP 的多端收發(fā)數(shù)據(jù)的需求，保障數(shù)據(jù)低誤率以及通信實時性。TI 公司開發(fā)設(shè)計的主DSPTMS320F2812和輔DSPTMS320F28335 內(nèi)部均有SPI 模塊的存在，因此，將主DSP 設(shè)定為主機模式而將輔DSP 設(shè)置為從機模式，并找準(zhǔn)對應(yīng)的引腳來實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能。雙DSP 的數(shù)據(jù)通信形式以數(shù)據(jù)幀為主，主DSP 會按照不同的數(shù)據(jù)格式來存放與采煤機工況相關(guān)的配置信息，并將數(shù)據(jù)下發(fā)到輔DSP，而輔DSP 經(jīng)過算法控制后向主DSP 返回操作指令，也會按照不同的數(shù)據(jù)格式來存在有關(guān)牽引、截割搖臂調(diào)高等信息。

2.2 自動截割模塊設(shè)計

在截割工作中，采煤機自動控制應(yīng)關(guān)注對牽引速度、滾筒調(diào)高、進程響應(yīng)、工藝銜接等方面的設(shè)計。綜采工作面的采煤機自動截割作業(yè)應(yīng)對電機負載以及機組移動速度進行監(jiān)測和及時調(diào)整。電機負載監(jiān)測可通過監(jiān)測電機的電流、溫度、液壓等指標(biāo)水平來實現(xiàn)。自動控制系統(tǒng)的主DSP 將及時采集電機的不同性能參數(shù)，并準(zhǔn)確解析溫度、壓力、電流等實際數(shù)值，傳至輔DSP 后在后者監(jiān)測下，將對各種參數(shù)的超限狀態(tài)作出預(yù)警甚至停機決策，決策按特定數(shù)據(jù)格式反饋到主DSP 后，后者將解讀輔DSP 的監(jiān)測結(jié)果后實施對應(yīng)決策的相關(guān)工作[5]。經(jīng)輔DSP 內(nèi)的電機負載估算模型能得到采煤機截割電動機的電流監(jiān)測值，對機組的負載運算后，按預(yù)設(shè)負載閾值編碼和解碼出調(diào)速及停機決策。系統(tǒng)負載運行提升后，若拉低牽引速度且機組負載異常，應(yīng)下落滾筒高度；若滾筒高度降至一定位置后機組的異常負載無法擺脫，則可轉(zhuǎn)換為人工模式進行干預(yù)。

2.3 工藝配組模塊設(shè)計

綜采工作面的采煤機自動采煤過程，應(yīng)增進工藝配組來對應(yīng)特殊復(fù)雜的采煤流程變化，以工藝整合來優(yōu)化自動采煤作業(yè)的適應(yīng)度。一般采煤流程含多重割煤樣態(tài)，對于不同稟賦的巷道煤層，采煤流程的差異性可能更突出。故設(shè)計采煤機自動控制系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)計工藝組合的模塊，其中存儲典型煤層或巷道的參考采煤流程，特別錄入各工序的數(shù)信息。一旦輔DSP對機組搖臂的調(diào)高軌跡進行描述運算，可重新形成機組運行與調(diào)高作業(yè)的軌跡，并通過SPI 將數(shù)據(jù)格式下的軌跡信息傳至主DSP，后者解析新數(shù)據(jù)包后可直接對應(yīng)找準(zhǔn)采煤機的自動控制激勵點，從而控制機組實施自動截割。

2.4 遠程監(jiān)控模塊設(shè)計

2.4.1 遠距離監(jiān)控設(shè)計

在綜采工作面，采煤機的遠距離監(jiān)測監(jiān)控可在遠端建立虛擬化的上位監(jiān)控平臺，與工作面的不同設(shè)備均保持通訊聯(lián)系，實行CAN 總線通信，如圖4 所示。

圖4 自動化控制系統(tǒng)的遠距離監(jiān)控方案

機組控制單元在采集工況數(shù)據(jù)后按特定格式經(jīng)CAN 總線發(fā)出，在CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中的不同設(shè)備可識別并判斷特定標(biāo)識符，從而接收對應(yīng)的數(shù)據(jù)，因此從機組到遠端監(jiān)控平臺中的所有設(shè)備都可以接收到針對性的信息，而遠端平臺也可以在整體讀取標(biāo)識符后向采煤機反饋數(shù)據(jù)，機組在解析后可獲得控制命令并擇令而動。整個遠距離監(jiān)控平臺將使用Quest3D 虛擬平臺，匹配數(shù)據(jù)庫，采用VC++語言設(shè)計，彰顯其可視化特點，并增加了人機交互的靈活性。

2.4.2 機組與遠端計算機的通訊程序設(shè)計

采煤機機組DSP 與遠端的計算機虛擬系統(tǒng)進行通訊時，可按照圖5 所示的流程圖來理解工作原理。系統(tǒng)初始化后，GPIO 的引腳也隨之初始化，DSP 為CAN 總線所提供的通訊接口eCAN 的收發(fā)引腳將得到設(shè)置，而eCAN 工作模式也完成了初始化。若DSP收到遠端計算機數(shù)據(jù)后啟動中斷響應(yīng)，將在讀取和解析數(shù)據(jù)后確定是否發(fā)送數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后清楚發(fā)送標(biāo)識符。

圖5 DSP 與遠端的計算機虛擬系統(tǒng)的通訊程序

2.4.3 機組歷史數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計

建立數(shù)據(jù)存儲模塊是為將機組運行中的工況進行監(jiān)控，存儲相關(guān)監(jiān)控數(shù)據(jù)后便于后期查詢，并為建立煤層模型提供數(shù)據(jù)支撐，可在后期讀取并調(diào)出煤層模型數(shù)據(jù)來計算機組搖臂的調(diào)高參數(shù)。本系統(tǒng)主要采用SD 卡來建立存儲模塊。SD 卡讀寫速度快且安全穩(wěn)定，可在SPI 模式下讀寫數(shù)據(jù)。首先要完成SD 卡的接口設(shè)計，及將SD 卡視為從設(shè)備，以主DSP 作為主設(shè)備，將對應(yīng)的管腳進行連接完成接口設(shè)計。其次在SPI 模式下完成SD 讀寫，需要將SD 卡的48 字節(jié)位進行代碼命令，并做好SPI 模式下SD 命令的宏定義。

為了進一步實現(xiàn)綜采工作面采煤機可以在遠程計算機或其他嵌入式設(shè)備端進行數(shù)據(jù)交換，應(yīng)在DSP中完成FatFS 文件系統(tǒng)的移植。FatFS 是一個通用FAT 文件系統(tǒng)，適用于微型嵌入式系統(tǒng)。模塊可按ANSIC 標(biāo)準(zhǔn)來編寫，且與磁盤輸入輸出層分離，因而可獨立在硬件結(jié)構(gòu)之外。在移植FatFS 文件系統(tǒng)時，應(yīng)先完成功能配置，并做好硬件邏輯與扇區(qū)擦除權(quán)限的設(shè)置，并對文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遞進格式、最大可打開文件數(shù)等要求進行設(shè)置后，可拷貝SPI 模式下的底層驅(qū)動程序源文件，編寫底層接口，最后利用SD 卡的SPI 模式編寫驅(qū)動函數(shù)以及初始化函數(shù)后，將所有的代碼置于DSP 工程下后，可通過ff.c 的API 函數(shù)直接讀寫SD 卡內(nèi)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

加強采煤機自動控制系統(tǒng)的設(shè)計研究，是提升煤礦綜采工作面的計算機自動控制系統(tǒng)應(yīng)用水平的重要要求。通過利用DSP 優(yōu)越的性能來設(shè)計采煤機的計算機自動化控制系統(tǒng)，對采煤機的基本控制、自動截割、工藝配組、遠程監(jiān)控等功能實現(xiàn)進行設(shè)計，能發(fā)揮良好的自動控制效果，可滿足煤礦綜采工作面采煤機控制的功能需求。