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1、電牽引采煤機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析
摘要:煤炭是我國(guó)的重要一次能源,在煤礦生產(chǎn)中,煤炭的開采效率和井下采煤設(shè)備之間有著重要的聯(lián)系,采煤機(jī)是煤礦開采的主要設(shè)備之一。以電牽引采煤機(jī)作為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)字信息采集電路,為了提高控制系統(tǒng)的可靠性,設(shè)計(jì)抗干擾電路。
關(guān)鍵詞:煤礦;采煤機(jī);STM32;數(shù)字采集
0引言
采煤機(jī)是煤礦井下的重要生產(chǎn)設(shè)備,一旦發(fā)生故障,將造成煤礦開采的停止,降低生產(chǎn)的效率。隨著煤炭開采技術(shù)和電子信息技術(shù)的發(fā)展,越來越多的電子信息設(shè)備被運(yùn)用到煤礦開采過程中,并大大提升了電控設(shè)備的性能[1]。采煤機(jī)作為綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的核心設(shè)備之
2、一,利用STM32單片機(jī)為核心,設(shè)計(jì)采煤機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng),對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),保障采煤機(jī)的正常運(yùn)行。以DSP為核心設(shè)計(jì)的采煤機(jī)數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)處理的能力,可以滿足復(fù)雜情況下的煤礦采煤機(jī)的數(shù)據(jù)處理需求,提升采煤機(jī)電控系統(tǒng)的效率,進(jìn)而提高煤炭開采的效率[2-4]。
1采煤機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
1.1電牽引采煤機(jī)的組成及功能
采煤機(jī)種類繁多,并在煤礦的開采過程中有著廣泛的應(yīng)用,本文的研究對(duì)象為電牽引采煤機(jī),主要由以下四個(gè)部分組成:截割部分、牽引部分、電氣部分和相關(guān)的輔助系統(tǒng)。截割部分是采煤機(jī)直接和煤礦接觸的部分,消耗著采煤機(jī)的大部分功
3、耗。通過截割部分對(duì)煤層的截割,使煤礦落入到刮板機(jī)中,通過電機(jī)的傳送,將煤礦運(yùn)輸?shù)降V井以外。電牽引部分是采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)的主要執(zhí)行部分,一般包括左、右兩個(gè)部分,都可以進(jìn)行速度和方向的調(diào)節(jié),保證采煤機(jī)的穩(wěn)定移動(dòng)。隨著礦井設(shè)備功率的增大,電牽引部分的作用日漸重要。電氣控制部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的各個(gè)部位電機(jī)的控制和保護(hù),控制兩個(gè)搖擺電機(jī)和兩個(gè)行走電機(jī)。電氣控制部分包括變頻器、電控箱、變壓器等部分。輔助部分包括、底托架、滑靴、電纜拖移裝置等,實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)零散部件的管理,配合采煤機(jī)完成采煤的功能。
1.2數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
(1)采煤機(jī)可能工作在爆炸性氣體和粉塵的環(huán)境中,控制系統(tǒng)必須具
4、備防爆特性,符合煤礦安全要求。(2)隨著采煤機(jī)功率的增加,綜合自動(dòng)化采煤的要求不斷被提出,因此,還必須考慮為以后新技術(shù)的應(yīng)用提供足夠的硬件平臺(tái)支持,預(yù)留數(shù)據(jù)采集端口。(3)采集系統(tǒng)需要具有高度可靠性和容錯(cuò)能力,系統(tǒng)在正常工作時(shí),穩(wěn)定可靠,可保障采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行,減少故障發(fā)生的幾率。(4)可以根據(jù)采煤機(jī)的不同的應(yīng)用場(chǎng)合,修改工作參數(shù),使系統(tǒng)軟硬件具有較高的可擴(kuò)展性。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)硬件框架
電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案如圖1所示,數(shù)據(jù)采集模塊和主控芯片之間的通訊方式選擇為CAN總線結(jié)構(gòu),煤巖識(shí)別裝置和主控芯片之間的通訊方式選擇為RS-485通訊方式。
5、結(jié)構(gòu)為了減輕現(xiàn)場(chǎng)布線的負(fù)擔(dān),增加系統(tǒng)工作的可靠性,整個(gè)系統(tǒng)采用分布式設(shè)計(jì),各個(gè)模塊之間通過串行通訊線路相連,減少系統(tǒng)線纜的數(shù)量。左、右搖臂的活動(dòng)性較強(qiáng),采用無線傳輸模塊,使數(shù)據(jù)采集、發(fā)送更加便捷,可靠。
2.2主控芯片選型
控制器的核心芯片采用STM32F103C芯片,該芯片采用ARMV7構(gòu)架,不僅支持Thumb-2指令集,而且擁有很多新特性。外部供電選擇2.0~3.6V直流電壓。芯片復(fù)位以后,可以選擇不同的工作模式:運(yùn)轉(zhuǎn)模式、停止模式、待機(jī)模式。根據(jù)不同模式的選擇,可以調(diào)節(jié)芯片的功耗。STM32擁有眾多的外設(shè),包括ADC、DAC、RTC、DMA、TIMER、SPI、C
6、AN等等。同時(shí),每個(gè)外設(shè)都有自己的時(shí)鐘系統(tǒng),可以進(jìn)行獨(dú)立的時(shí)鐘配置,可以通過控制不同外設(shè)的時(shí)鐘降低系統(tǒng)的功耗。
2.3振動(dòng)采集電路設(shè)計(jì)
2.3.1加速度傳感器選型
采煤機(jī)截割部質(zhì)量從幾噸到幾十噸,采煤機(jī)的截割部分和煤層之間會(huì)產(chǎn)生相互的作用力,這兩種力會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)加速度信號(hào)。對(duì)于普通的振動(dòng)傳感器,這種加速度信號(hào)非常容易捕捉,但是不能保存。即使得到煤礦采煤機(jī)的工況實(shí)時(shí)信息,也不能保存?zhèn)浞?,不利于采煤機(jī)工況的長(zhǎng)期分析。針對(duì)以上問題,本系利用超低功耗的msp430單片機(jī)重新對(duì)加速度傳感器的電路進(jìn)行集成,作為系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)采集模塊應(yīng)用在系統(tǒng)中。加速度傳感器的選型為MLV
7、-7,該傳感器的靈敏度為20.0mV/ms-1,幅值線性度小于3%,橫向靈敏度小于5%,輸出電阻小于900Ω。
2.3.2振動(dòng)采集模塊電路
振動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)如圖2所示,三軸振動(dòng)傳感器的輸出量為模擬信號(hào),通過24位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片,轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,發(fā)送給msp430芯片,并在msp430中進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和相關(guān)計(jì)算,最終的振動(dòng)信息通過RS-485通訊協(xié)議發(fā)送給主控芯片(STM32)。
2.4電源電路及抗干擾設(shè)計(jì)
2.4.1電源輸入電路設(shè)計(jì)
STM32單片機(jī)的供電電源一般為3.3V,在繼電保護(hù)設(shè)備中,繼電保護(hù)控制器的電源電路的輸入
8、端為某一個(gè)電壓互感器的輸出端,在前級(jí)的電壓轉(zhuǎn)換模塊中,根據(jù)控制器用電等級(jí)的不同,電源輸出包括三個(gè)部分:12VDC、5VDC、3.3VDC。分別供電給繼電器、晶振芯片、單片機(jī),3.3V電壓的產(chǎn)生是通過SPX1117芯片實(shí)現(xiàn)的,該芯片的輸入電壓為5V,電壓輸出為3.3V。滿足STM32單片機(jī)的工作電壓需求。
2.4.2抗干擾設(shè)計(jì)
礦井用電設(shè)備往往需要考慮抗干擾的特性,電源是控制器的重要組成部分,很多礦井的電磁干擾都是通過電源流入系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)的正常工作造成干擾,因此,為了增加系統(tǒng)抗干擾的特性,設(shè)計(jì)了電源輸入電路,電路原理圖如圖4所示。電路中的R1=1MΩ,R2=1
9、4kΩ,R3=10kΩ,R4=200kΩ,電容的阻值選型為0.47μF,當(dāng)輸入電壓為6V時(shí),可以濾除掉電路中的6次諧波。
2.5轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器選型
在電牽引采煤機(jī)的數(shù)字采集系統(tǒng)中,需要對(duì)牽引電機(jī)的精確功率和轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集傳感器的型號(hào)選擇為JC系列轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器,該傳感器的工作原理為:通過兩組磁電信號(hào)發(fā)生器,把被測(cè)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的狀態(tài)信息進(jìn)行信息類型的轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生具有相位差的兩組交流電信號(hào),這兩組交流電信號(hào)的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比,相位差的變化部分又與被測(cè)轉(zhuǎn)矩成正比[6-7]。
3系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)
10、
本文設(shè)計(jì)的的數(shù)字采集系統(tǒng)以STM32作為核心,利用Keil5進(jìn)行編程,軟件流程圖如圖5所示,在采煤機(jī)靜止不動(dòng)的時(shí)候,振動(dòng)傳感器無法感受到振動(dòng)信號(hào),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不進(jìn)行工作,系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。當(dāng)電牽引采煤機(jī)運(yùn)行時(shí),振動(dòng)信號(hào)將msp430單片機(jī)從低功耗喚醒,msp430單片機(jī)向主控芯片發(fā)出工作信號(hào),采集系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的工作狀態(tài),依次采集電牽引部分的振動(dòng)信號(hào)和采煤機(jī)中運(yùn)行中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào),信號(hào)采集的頻率為1次/5min。當(dāng)振動(dòng)信號(hào)長(zhǎng)期為0時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)判斷為采煤機(jī)停止運(yùn)行,重新進(jìn)入低功耗,等待喚醒的命令。程序流程圖如圖5所示,圖中的T表示當(dāng)前時(shí)間與上次數(shù)據(jù)采集的時(shí)間差。振動(dòng)系統(tǒng)的控制器采
11、用msp430芯片,可以在IARfor430軟件平臺(tái)上進(jìn)行編程。振動(dòng)采集模塊的軟件流程如圖6所示,msp430單片機(jī)的在上電運(yùn)行后,先進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集,之后進(jìn)入LPM0低功耗模式,等待振動(dòng)傳感器的振動(dòng)信號(hào),當(dāng)msp430的端口接收到振動(dòng)產(chǎn)生的中斷時(shí),振動(dòng)采集模塊被喚醒,進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ),并利用RS-485通訊協(xié)議和主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
4總結(jié)
本文針以電牽引采煤機(jī)作為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)數(shù)字信息采集系統(tǒng)。分析了電牽引采煤機(jī)的截割部分、牽引部分、電氣部分和相關(guān)的輔助系統(tǒng)的主要作用,明確數(shù)字采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),包括:主控芯片的選型、振動(dòng)采集電
12、路模塊的集成設(shè)計(jì)、電源電路抗干擾電路設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的選型方法,分別利用Keil5和IAR軟件對(duì)主控芯片的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)與燒寫,實(shí)現(xiàn)數(shù)字采集系統(tǒng)的功能。
參考文獻(xiàn):
[1]張廣義.綜合機(jī)械化采煤工藝[J].煤炭技術(shù),2009,28(3):60-62.
[2]郭俊,田慕琴,宋建成,等.綜采工作面生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].煤炭技術(shù),2016(7):277-279.
[3]周元華.薄煤層電牽引采煤機(jī)智能控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安:西安科技大學(xué),2014.
[4]段寧寧.煤礦綜合機(jī)械化的采煤工藝研究探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012(08):81-81.
[5]夏洪波.基于DSP的電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安:西安科技大學(xué),2015.
[6]黃平,王英,江先志.基于STM32的直流電機(jī)模糊PID調(diào)速系統(tǒng)研究[J].機(jī)電工程,2017,34(4):380-385.
[7]歐璐璐.基于直接轉(zhuǎn)矩控制的采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2008.