基于嵌入式技術(shù)的刮板輸送機(jī)鏈條張緊控制系統(tǒng)

畢東柱

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京100013)

隨著綜采技術(shù)的發(fā)展，煤礦對綜采工作面機(jī)械化、自動(dòng)化的要求越來越高。工作面刮板輸送機(jī)正逐步向大功率、大運(yùn)量和高可靠性方向發(fā)展。傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)多采用手動(dòng)方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，但由于鏈條張力值隨負(fù)載量大小和時(shí)間推移而變化，常常會(huì)使鏈條在運(yùn)行中處于過松或過緊的狀態(tài)。過松會(huì)造成刮板鏈在驅(qū)動(dòng)鏈輪分離點(diǎn)處松弛，甚至發(fā)生堆積而導(dǎo)致斷鏈、卡鏈或斷齒等事故;控制的過緊則會(huì)增大運(yùn)行阻力，使刮板輸送機(jī)功率消耗過大，元件過度磨損。為了保證刮板輸送機(jī)在不同的負(fù)載工作條件下能夠正常工作，工作人員必須經(jīng)常對刮板輸送機(jī)鏈條進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，既增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又不能實(shí)時(shí)保護(hù)鏈條處于合理范圍之內(nèi)。本文針對這一問題，研究設(shè)計(jì)了基于嵌入式技術(shù)的刮板輸送機(jī)鏈條張緊控制系統(tǒng)。通過該控制系統(tǒng)可以有效地對鏈條的松緊程度進(jìn)行監(jiān)控，及早發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)一步對油缸進(jìn)行控制，從而調(diào)整鏈條的松緊。

1 刮板輸送機(jī)鏈條張緊控制系統(tǒng)的組成

基于嵌入式技術(shù)刮板輸送機(jī)鏈條張緊控制系統(tǒng)主要由電源、控制器、壓力傳感器、位移傳感器、啟停傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)盒、液壓系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。嵌入式本安控制器是系統(tǒng)控制的核心，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制流程，數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)配置、人機(jī)交互等功能。此系統(tǒng)配置機(jī)頭和機(jī)尾2個(gè)控制器，均由1個(gè)本安型電源箱供電。其中機(jī)頭控制器通過啟停傳感器采集刮板輸送機(jī)電機(jī)的電流信號來判斷刮板機(jī)是否開啟，同時(shí)通過CAN通訊通知結(jié)尾控制器;控制器通過采集壓力和位移信號，結(jié)合參數(shù)設(shè)置來控制液壓系統(tǒng)的伸缸或收缸，從而調(diào)節(jié)鏈條的松緊程度;當(dāng)刮板輸送機(jī)電機(jī)啟動(dòng)后控制器每1s通過串口把采集的壓力和位移值傳送給存儲(chǔ)盒，以便日后分析;控制器包含自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、急停及故障聲光報(bào)警等功能。

圖1 刮板輸送機(jī)鏈條張緊控制系統(tǒng)組成

2 嵌入式控制器的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

嵌入式控制器硬件主要包括MCU，OLED顯示、聲光報(bào)警、開關(guān)量采集、模擬量采集、電磁驅(qū)動(dòng)、CAN通訊、串口通訊、時(shí)鐘、急停和電源轉(zhuǎn)換模塊11個(gè)部分。

MCU是嵌入式控制器的控制核心，采用ARM公司的LPC2294處理芯片，主頻為70MHz，運(yùn)行μC/OS操作系統(tǒng)，在windows平臺上采用c語言設(shè)計(jì)刮板輸送機(jī)鏈條張緊控制程序。

模擬量采集模塊實(shí)現(xiàn)對壓力傳感器、位移傳感器和啟停傳感器的信號采集功能。啟停傳感器采用GKT－L啟停傳感器，其安裝在機(jī)頭位置的刮板輸送機(jī)電機(jī)的輸出電纜上，當(dāng)電機(jī)開啟瞬間啟停傳感器輸出1mA的電流信號，控制器通過模擬量采集模塊得到數(shù)值，從而判斷刮板機(jī)是否開啟;壓力傳感器采用GDP40，量程為0～40MPa，其安裝在伸縮油缸的活塞腔，位移傳感器采用GUC(1200)－X，量程為0～1200mm，其安裝在伸縮油缸的推移桿內(nèi)，控制器通過模擬量采集模塊采集油缸的壓力和位移數(shù)值，從而結(jié)合參數(shù)和算法判斷鏈條的張緊程序和油缸的位置。

通訊模塊包括串口通訊和CAN通訊2個(gè)模塊?？刂破鞑捎肗CV7356D/AU5790單線CAN芯片，CAN總線適用于通信距離遠(yuǎn)，實(shí)時(shí)性要求較高，各個(gè)節(jié)點(diǎn)平等的現(xiàn)場中使用。機(jī)頭控制器通過CAN的標(biāo)準(zhǔn)幀協(xié)議把啟停傳感器的采集結(jié)果和本架的壓力、位移數(shù)據(jù)傳輸給機(jī)尾控制器，機(jī)尾控制器通過232串行端口把本架控制器和機(jī)頭控制器的傳感器數(shù)值連同采集時(shí)間傳給存儲(chǔ)盒，以備日后分析。

急停模塊可響應(yīng)2種急停信號。嵌入式控制器有一個(gè)急停按鈕，當(dāng)檢測到該按鈕按下時(shí)，直接切斷本架電磁驅(qū)動(dòng)的供電，讓本架油缸不再伸縮動(dòng)作;當(dāng)急停按鈕按下后，控制器通過CAN總線通知鄰架控制器，鄰架控制器通過急停模塊切斷其電磁驅(qū)動(dòng)的供電，同樣達(dá)到不讓油缸伸縮的目的。

交互模塊包括OLED顯示、開關(guān)量采集、聲光報(bào)警3個(gè)模塊。OLED顯示屏用來顯示3種傳感器的數(shù)值以及參數(shù)的設(shè)定值;鍵盤采用開關(guān)量采集模塊來實(shí)現(xiàn)，用于控制器的控制和參數(shù)的修改;當(dāng)刮板機(jī)的鏈條處于過緊或過松狀態(tài)時(shí)，控制器進(jìn)行聲光報(bào)警。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式控制器軟件設(shè)計(jì)包括手動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)、菜單參數(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)4個(gè)部分。

手動(dòng)控制程序主要有按鍵操作、傳感器采集和顯示、電磁閥輸出組成。當(dāng)按下油缸動(dòng)作按鍵后，控制器向電磁驅(qū)動(dòng)器發(fā)送動(dòng)作命令，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電磁閥吸合，控制油缸動(dòng)作;同時(shí)控制通過I/O端口。軟件流程如圖2所示。

圖2 手動(dòng)控制程序流程

自動(dòng)控制程序是本系統(tǒng)的重點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)部分，其控制流程如下:控制器先檢測是否為自動(dòng)控制模式，如果是自動(dòng)模式，則通過開停傳感器檢測刮板輸送機(jī)是否開啟;如果沒開啟則間隔S時(shí)間再進(jìn)行判斷，如果已開啟，則進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并控制;先檢測位移傳感器和壓力傳感器是否正常，如果不正常則進(jìn)行聲光報(bào)警提醒操作人員更換傳感器，如果正常則根據(jù)自動(dòng)控制流程進(jìn)行控制。控制器優(yōu)先根據(jù)參數(shù)“行程下限”、“行程上限”、“行程偏移”和實(shí)際采集到的位移傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果超出設(shè)定范圍，進(jìn)行聲光報(bào)警提醒并通過組合開關(guān)使刮板機(jī)停機(jī);如果在設(shè)定范圍內(nèi)，控制器再根據(jù)參數(shù)“壓力下限”、“壓力上限”、“壓力偏移”和實(shí)際采集到的壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，控制電磁驅(qū)動(dòng)執(zhí)行伸油缸或收油缸動(dòng)作使鏈條張力達(dá)到平衡位置。

菜單參數(shù)是結(jié)合自動(dòng)程序的控制流程所需要的關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置的參數(shù)，其參數(shù)內(nèi)容見表1。

表1 參數(shù)列表

數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)分為數(shù)據(jù)采集模塊和存儲(chǔ)模塊。其中數(shù)據(jù)采集采用冒泡排序算法;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用串口通訊把數(shù)據(jù)寫入PHILIP公司提供的EasyUDisk模塊中。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

基于嵌入式的刮板輸送機(jī)鏈條張緊控制系統(tǒng)經(jīng)安裝調(diào)試后已在石槽村煤礦穩(wěn)定運(yùn)行了4個(gè)月。井下泵壓為31.5MPa，張緊裝置調(diào)定輸出 5.5～6.0MPa，鏈條每天以2～3mm伸長，并經(jīng)過了1次截鏈子操作，在運(yùn)行期間一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)卡鏈或斷鏈情況。相比過去的方式首先使鏈條的日伸長量減少，延長了截鏈子的時(shí)間，同時(shí)避免了由于鏈條過松卡鏈造成的停機(jī)現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

實(shí)踐證明，這套系統(tǒng)能夠有效地對刮板運(yùn)輸機(jī)的油缸位置進(jìn)行調(diào)整，從而使鏈條處于正常工作狀態(tài)，即不會(huì)太緊也不會(huì)太松，不僅延長了機(jī)器的使用壽命，還減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)的投入使用對煤礦井下自動(dòng)化、無人化的進(jìn)展具有積極的意義。

［1］毛 君，吳平穩(wěn)，張東升．刮板輸送機(jī)機(jī)尾伸縮裝置的理論研究 ［J］．起重運(yùn)輸機(jī)械，2004(11).

［2］汪愛明，孟國營，李國平，等.刮板輸送機(jī)伸縮機(jī)尾電液控制系統(tǒng)的研制［J］.煤炭工程，2008(1).

［3］劉克銘，徐廣明.刮板輸送機(jī)鏈條張力測控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.起重機(jī)械運(yùn)輸，2009(8).