礦用掘進機運行監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

靳華龍

（西山煤電建筑工程集團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調(diào)設(shè)備的高速、高效和安全可靠性，掘進機的發(fā)展趨向于機械電氣一體化[1-4]。相較于國際先進的掘進機控制技術(shù)，目前我國掘進機控制技術(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)測實時性和有效性、現(xiàn)場總線布置方式、智能化和人機一體化等方面還有很大的進步空間[7-9]，為了提高掘進機控制技術(shù)水平，本文研究了一種掘進機可視化運行監(jiān)控系統(tǒng)，提高了國產(chǎn)掘進機控制系統(tǒng)的智能化和自動化水平。

1 實時監(jiān)測方案設(shè)計

1.1 電機溫度監(jiān)測

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

1.2 電機電流監(jiān)測

掘進機的電機數(shù)量多，主要有截割電機、油泵電機、錨桿電機、裝載電機、傳送帶傳送電機等，在供電不穩(wěn)的情況下，線路的過流保護繼電器和熔斷器動作，防止電機長時間工作在惡劣環(huán)境下。電機電流監(jiān)測通過電流互感器進行，當監(jiān)測電流出現(xiàn)過流、斷相和過載等異?，F(xiàn)象時，控制器通過中間繼電器切斷電機電源。

1.3 瓦斯監(jiān)測

瓦斯超標容易引起爆炸，因此瓦斯含量超標后應(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)計的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測閾值為3%。

1.4 油位油溫監(jiān)測

長期工作的液壓系統(tǒng)油位和油溫會發(fā)生變化，帶熱敏觸點的油位開關(guān)和磁鐵浮子可以監(jiān)測油位和液壓油溫度，無論是油位低于標定值還是溫升超過75℃，都會觸發(fā)保護動作，切斷電源回路迫使電機停機。

1.5 壓力監(jiān)測

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的數(shù)字輸入端口。壓力低于斷開值會在處理器上顯示，噴霧壓力傳感器的原理是壓敏電阻組成的電橋，當壓力變化時，不同的橋臂變形程度不同，電阻阻值也不同，所以電橋會輸出一個變化的電壓，經(jīng)過放大電路后處理成標準電壓信號，供單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊接收。

2 硬件電路設(shè)計

監(jiān)控主板的功能是采集和處理掘進機狀態(tài)和現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)控數(shù)據(jù)，控制掘進機實時運行，是整個設(shè)備機電控制監(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1 A。采用正向低壓降穩(wěn)壓芯片AMS1117對12 V電源進行變換，可以得到3.3 V電源。AMS1117的穩(wěn)壓管由1個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，其內(nèi)部還集成了溫度保護電路，能夠在結(jié)溫過高時自動切斷電路。3.3 V電源電路設(shè)計原理如圖2所示。

2.2 最小系統(tǒng)

LPC1768的最小系統(tǒng)設(shè)計包括時鐘電路設(shè)計、晶振電路設(shè)計、復位電路設(shè)計和擴展存儲電路設(shè)計。LPC1768需要配置3個獨立的時鐘電路，除了主時鐘振蕩器，還需要配置RTC時鐘振蕩器和內(nèi)部RC時鐘振蕩器，在系統(tǒng)復位以后，控制器由內(nèi)部RC振蕩器提供時鐘，降低了LPC1768對外部時鐘的依賴程度。

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)導線的特性阻抗進行選擇，本設(shè)計取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

為了對掘進機的發(fā)動機進行全面監(jiān)控，需要獲取發(fā)動機的開關(guān)狀態(tài)，發(fā)動機的開關(guān)有空擋開關(guān)、空調(diào)開關(guān)、啟動機開關(guān)和節(jié)氣門開關(guān)。在進行開關(guān)量輸入電路設(shè)計時重點考慮的環(huán)節(jié)為電平匹配和電氣隔離，本設(shè)計中采用光電耦合芯片TLP521進行解決，在傳遞信號的同時避免了直接的電氣聯(lián)系。

除了接收發(fā)動機的開關(guān)量，監(jiān)控系統(tǒng)還應(yīng)當具有對發(fā)動機的控制功能，這就需要設(shè)計相應(yīng)的開關(guān)量輸出電路，在設(shè)計時主要考慮信號的驅(qū)動電路，開關(guān)量輸出電路設(shè)計原理如圖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)動芯片74HC244，電平信號轉(zhuǎn)換為具有驅(qū)動三極管開通的驅(qū)動信號，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)計原理

圖3 CAN總線收發(fā)電路設(shè)計原理

圖4 開關(guān)量輸出電路設(shè)計原理

模擬量輸入電路采用運算放大電路進行前后級隔離，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)計原理如圖5所示。LM358具有兩路獨立、高增益的運算放大器，可同時對傳感器1和傳感器2進行電壓跟隨，其放大倍數(shù)約等于1。

圖5 LM358設(shè)計原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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，首先系統(tǒng)初始化，即對內(nèi)部時鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、CAN總線模塊、看門狗和定時器等的寄存器進行初始化設(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P0口設(shè)置為GPIO輸入模式，檢測到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，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的初始化，設(shè)置時鐘寄存器、AD轉(zhuǎn)換寄存器、采樣時間、數(shù)據(jù)存儲格式和數(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啟停、裝載液壓馬達啟停、錨桿鉆機啟停、冷卻水控制、報警控制、鏟板升降、輸送機啟停、行走控制和風機控制。掘進機截割前的準備動作流程如圖8所示，程序開始后判斷掘進機是否平穩(wěn)，然后控制電磁閥升降動作，按順序開啟刮板輸送機電磁閥和裝載電磁閥，最后進行狀態(tài)檢測。

圖8 截割前的準備動作流程

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LPC1768 CAN內(nèi)部寄存器進行配置完成其通信程序設(shè)計。初始化CAN控制器時，需要設(shè)置總線時鐘頻率、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、電平下降沿和中斷引腳，設(shè)置定時器，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，當所傳輸幀正確后存入寄存器，幀錯誤后發(fā)送誤幀信號后清除內(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的掘進機可視化運行監(jiān)控系統(tǒng)具有高速、低功耗、低成本等特點，CAN現(xiàn)場總線實現(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)備能夠相對獨立工作，本文所研發(fā)的礦用掘進機運行監(jiān)控系統(tǒng)具有適應(yīng)性和可靠性好的特點，有利于實現(xiàn)標準化控制。