一種基于DSP 技術(shù)的采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉 青，覃正強(qiáng)

（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(jìn)“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(shí)與普遍追求。在科學(xué)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)作用持續(xù)釋放的當(dāng)下，煤礦綜采工作面的自動(dòng)化、信息化、智能化改造水平仍要進(jìn)一步提高。采煤機(jī)作為煤礦綜采工作面實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量回采的核心設(shè)備，有必要增加自動(dòng)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(jī)運(yùn)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(dòng)控制能力。本研究設(shè)計(jì)一種基于DSP 技術(shù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，面向自動(dòng)化工作面建設(shè)要求，以雙DSP 為主架構(gòu)，發(fā)揮DSP 的獨(dú)特?cái)?shù)算能力實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采工作面采煤機(jī)的日常作業(yè)工況的數(shù)據(jù)采集與處理，以達(dá)到采煤機(jī)自動(dòng)截割、遠(yuǎn)程監(jiān)控，組態(tài)設(shè)計(jì)穩(wěn)定等目的，最終提升綜采工作面采煤機(jī)的操作自動(dòng)化水平。

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(jī)械化程度將明顯高于95%。綜采工作面一般都會(huì)布置眾多具有不同功能的大型設(shè)備，諸如滾筒采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、順槽轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)等。其中，采煤機(jī)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(jì)的綜采工作面采煤機(jī)計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能是：由機(jī)組傳感器對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊，確保輸入輸出的靈活控制，有效完成自動(dòng)截割等工藝組合，接受遠(yuǎn)程監(jiān)控保障安全生產(chǎn)，簡言之就是采煤機(jī)主要包括基礎(chǔ)控制、自動(dòng)截割、工藝配組、遠(yuǎn)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(diǎn)微控制單元（MCU）TMS320F2812，具備多重總線接口，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)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(diǎn)處理單元，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控功能將采用CAN 總線來連接采煤機(jī)與上位機(jī)，前者的工況數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)后，后者直接發(fā)布命令指揮采煤機(jī)的實(shí)時(shí)動(dòng)作。自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件

采煤機(jī)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要工作原理為：主DSP 完成機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的物理量監(jiān)測(cè)、采集、通信，在數(shù)據(jù)解碼處理中準(zhǔn)確定位采煤機(jī)在綜采工作面的位置，獲取機(jī)身傾斜角度與俯仰角度以及搖臂高度，所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均在本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)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(jī)組截割負(fù)載預(yù)測(cè)、牽引速率自控、搖臂調(diào)高預(yù)控、故障預(yù)測(cè)等算法，并將數(shù)據(jù)傳回主DSP 后實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)組的控制[2]。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

采煤機(jī)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能如圖2 所示。自動(dòng)控制系統(tǒng)主要有基本控制、自動(dòng)截割、工藝配組、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

圖2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能

2.1 基本控制模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 接口模塊設(shè)計(jì)

在數(shù)字量接口模塊設(shè)計(jì)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(kuò)展，并經(jīng)IO 接口的光電隔離設(shè)計(jì)來完成。此設(shè)計(jì)方法可增進(jìn)對(duì)控制單元的保護(hù)，并能提升IO 接口的驅(qū)動(dòng)電壓，達(dá)到匹配采煤機(jī)自動(dòng)控制所要求的24 V。

在數(shù)字量采集模塊設(shè)計(jì)方面，機(jī)組上搭載傳感器，發(fā)出具有固定格式的命令來采集機(jī)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(hào)，采用RS485 接口通訊，確保數(shù)據(jù)達(dá)到10 Mbps 的高傳輸速率，并增強(qiáng)信號(hào)抗擾性，提升傳輸距離。

在模擬量采集模塊設(shè)計(jì)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(hào)需經(jīng)轉(zhuǎn)化來達(dá)到電平要求。采煤機(jī)的模擬量信號(hào)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(duì)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(jì)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(jī)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(jì)

采煤機(jī)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(yùn)行效率。DSP/BISO 系統(tǒng)同樣由TI 公司開發(fā)設(shè)計(jì)，是一類實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)，其擁有4 類線程，且優(yōu)先級(jí)各有不同，見表2。

表2 DSP/BISO 系統(tǒng)的線程說明

圖3 采煤機(jī)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(duì)模擬量與數(shù)字量的采集中斷程序也有所不同。對(duì)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(jī)的準(zhǔn)確工況信息以及對(duì)應(yīng)的作業(yè)運(yùn)行操控指令。

圖3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件程序

對(duì)于系統(tǒng)子程序的設(shè)計(jì)，考慮到DSP/BISO 系統(tǒng)屬于搶占式的任務(wù)機(jī)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(jī)組的實(shí)際控制需求以及程序響應(yīng)啟動(dòng)的時(shí)間可將不同的系統(tǒng)子程序置于不同模塊中運(yùn)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(jī)組的控制優(yōu)先級(jí)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(yùn)行，進(jìn)程機(jī)組控制可進(jìn)入到TSK 線程中。因不少傳感器需要在采煤機(jī)發(fā)出命令后才會(huì)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(jì)

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(shí)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(shí)時(shí)性。TI 公司開發(fā)設(shè)計(jì)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(jī)模式而將輔DSP 設(shè)置為從機(jī)模式，并找準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的引腳來實(shí)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(huì)按照不同的數(shù)據(jù)格式來存放與采煤機(jī)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(huì)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(dòng)截割模塊設(shè)計(jì)

在截割工作中，采煤機(jī)自動(dòng)控制應(yīng)關(guān)注對(duì)牽引速度、滾筒調(diào)高、進(jìn)程響應(yīng)、工藝銜接等方面的設(shè)計(jì)。綜采工作面的采煤機(jī)自動(dòng)截割作業(yè)應(yīng)對(duì)電機(jī)負(fù)載以及機(jī)組移動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和及時(shí)調(diào)整。電機(jī)負(fù)載監(jiān)測(cè)可通過監(jiān)測(cè)電機(jī)的電流、溫度、液壓等指標(biāo)水平來實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的主DSP 將及時(shí)采集電機(jī)的不同性能參數(shù)，并準(zhǔn)確解析溫度、壓力、電流等實(shí)際數(shù)值，傳至輔DSP 后在后者監(jiān)測(cè)下，將對(duì)各種參數(shù)的超限狀態(tài)作出預(yù)警甚至停機(jī)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(cè)結(jié)果后實(shí)施對(duì)應(yīng)決策的相關(guān)工作[5]。經(jīng)輔DSP 內(nèi)的電機(jī)負(fù)載估算模型能得到采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)的電流監(jiān)測(cè)值，對(duì)機(jī)組的負(fù)載運(yùn)算后，按預(yù)設(shè)負(fù)載閾值編碼和解碼出調(diào)速及停機(jī)決策。系統(tǒng)負(fù)載運(yùn)行提升后，若拉低牽引速度且機(jī)組負(fù)載異常，應(yīng)下落滾筒高度；若滾筒高度降至一定位置后機(jī)組的異常負(fù)載無法擺脫，則可轉(zhuǎn)換為人工模式進(jìn)行干預(yù)。

2.3 工藝配組模塊設(shè)計(jì)

綜采工作面的采煤機(jī)自動(dòng)采煤過程，應(yīng)增進(jìn)工藝配組來對(duì)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(dòng)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(duì)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(jì)采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)計(jì)工藝組合的模塊，其中存儲(chǔ)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(duì)機(jī)組搖臂的調(diào)高軌跡進(jìn)行描述運(yùn)算，可重新形成機(jī)組運(yùn)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(duì)應(yīng)找準(zhǔn)采煤機(jī)的自動(dòng)控制激勵(lì)點(diǎn)，從而控制機(jī)組實(shí)施自動(dòng)截割。

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

2.4.1 遠(yuǎn)距離監(jiān)控設(shè)計(jì)

在綜采工作面，采煤機(jī)的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)監(jiān)控可在遠(yuǎn)端建立虛擬化的上位監(jiān)控平臺(tái)，與工作面的不同設(shè)備均保持通訊聯(lián)系，實(shí)行CAN 總線通信，如圖4 所示。

圖4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控方案

機(jī)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(shí)別并判斷特定標(biāo)識(shí)符，從而接收對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，因此從機(jī)組到遠(yuǎn)端監(jiān)控平臺(tái)中的所有設(shè)備都可以接收到針對(duì)性的信息，而遠(yuǎn)端平臺(tái)也可以在整體讀取標(biāo)識(shí)符后向采煤機(jī)反饋數(shù)據(jù)，機(jī)組在解析后可獲得控制命令并擇令而動(dòng)。整個(gè)遠(yuǎn)距離監(jiān)控平臺(tái)將使用Quest3D 虛擬平臺(tái)，匹配數(shù)據(jù)庫，采用VC++語言設(shè)計(jì)，彰顯其可視化特點(diǎn)，并增加了人機(jī)交互的靈活性。

2.4.2 機(jī)組與遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)的通訊程序設(shè)計(jì)

采煤機(jī)機(jī)組DSP 與遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)虛擬系統(tǒng)進(jìn)行通訊時(shí)，可按照?qǐng)D5 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(yuǎn)端計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)后啟動(dòng)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(shí)符。

圖5 DSP 與遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)虛擬系統(tǒng)的通訊程序

2.4.3 機(jī)組歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是為將機(jī)組運(yùn)行中的工況進(jìn)行監(jiān)控，存儲(chǔ)相關(guān)監(jiān)控?cái)?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(jì)算機(jī)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(chǔ)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(jì)，及將SD 卡視為從設(shè)備，以主DSP 作為主設(shè)備，將對(duì)應(yīng)的管腳進(jìn)行連接完成接口設(shè)計(jì)。其次在SPI 模式下完成SD 讀寫，需要將SD 卡的48 字節(jié)位進(jìn)行代碼命令，并做好SPI 模式下SD 命令的宏定義。

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綜采工作面采煤機(jī)可以在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或其他嵌入式設(shè)備端進(jìn)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(gè)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(dú)立在硬件結(jié)構(gòu)之外。在移植FatFS 文件系統(tǒng)時(shí)，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(duì)文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遞進(jìn)格式、最大可打開文件數(shù)等要求進(jìn)行設(shè)置后，可拷貝SPI 模式下的底層驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(qiáng)采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，是提升煤礦綜采工作面的計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(jì)采煤機(jī)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，對(duì)采煤機(jī)的基本控制、自動(dòng)截割、工藝配組、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能發(fā)揮良好的自動(dòng)控制效果，可滿足煤礦綜采工作面采煤機(jī)控制的功能需求。