全斷面掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李亮亮

（霍州煤電集團(tuán)山西汾河焦煤股份有限公司機(jī)電部，山西 洪洞 041600）

引言

隨著地下掘進(jìn)技術(shù)水平的提高，全斷面掘進(jìn)機(jī)在施工中發(fā)揮著越來越重要的作用。全斷面掘進(jìn)機(jī)如同一個(gè)進(jìn)行流水化作業(yè)的自動(dòng)化工廠，是集多種控制技術(shù)為一體的超大型綜合設(shè)備[1]。

近年來，國外掘進(jìn)機(jī)發(fā)展較快，其設(shè)備具備配套的故障診斷和自動(dòng)化能力。而目前，國內(nèi)的全斷面掘進(jìn)機(jī)絕大多數(shù)還是采用事后周期性檢修和計(jì)劃維修的方案。周期檢修是對設(shè)備的定期檢查，缺點(diǎn)是故障發(fā)生的時(shí)間間隔要大于停機(jī)檢修的時(shí)間間隔，這樣就常常會造成無法預(yù)估的停機(jī)。事后維修是被迫停機(jī)檢修，在發(fā)生故障之后，這種傳統(tǒng)維修方式造成的損失較大，計(jì)劃維修雖然效率高，但也會造成不必要的浪費(fèi)。以軟件為核心的虛擬技術(shù)為全斷面掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究提供了理想的平臺[2]。如在對全斷面掘進(jìn)機(jī)研發(fā)較早的德國，成功研發(fā)了控制切面成型和方向識別系統(tǒng)，并且在幾大全斷面掘進(jìn)機(jī)上成功試用[3]。把人工智能應(yīng)用到設(shè)備的狀態(tài)智能監(jiān)測中，把技術(shù)創(chuàng)新作為關(guān)鍵，把知識信息作為系統(tǒng)的核心，這已成為設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測的主要發(fā)展趨勢。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

全段面掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，全斷面掘進(jìn)機(jī)之所以在控制系統(tǒng)設(shè)置了較多的傳感器，是為了保護(hù)關(guān)鍵步驟并對其運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測，使其動(dòng)作機(jī)構(gòu)能夠正常工作，執(zhí)行特定的控制功能。一臺全斷面掘進(jìn)機(jī)，其完整的電氣控制系統(tǒng)可概括為四個(gè)部分，分別為安全性能回路保護(hù)、電氣主回路驅(qū)動(dòng)、主要控制回路操縱、傳感系統(tǒng)回路監(jiān)測。

伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是電子和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅速普及和發(fā)展，CAN 總線在離散性遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用，其傳輸距離達(dá)到11 km時(shí)，速率仍可以到達(dá)60 kbit/s。如今，CAN 級之所以具有更高的可信賴性和判斷系統(tǒng)錯(cuò)誤的能力，是因?yàn)樵O(shè)備的通信模式和信號接受方式被提高到更高標(biāo)準(zhǔn)。CAN 則被更多地運(yùn)用在高溫高壓、環(huán)境惡劣、電輻射極強(qiáng)、振動(dòng)極大的工業(yè)設(shè)備環(huán)境中。獨(dú)特的幀數(shù)系統(tǒng)運(yùn)行方式是CAN 總線特有的，它的傳輸數(shù)據(jù)信號方式極為簡單，可以實(shí)現(xiàn)多方位、遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信號的傳輸和操縱。其執(zhí)行輸出操作和檢驗(yàn)手段極大降低了總線的出錯(cuò)率，總體上基本實(shí)現(xiàn)了一定的總線分布式實(shí)時(shí)控制方式。每個(gè)操控和收集分支都按自己的系統(tǒng)方式運(yùn)行，各自獨(dú)立。隨后其各部分再通過CAN 總線進(jìn)行信號傳遞和通信，如圖1 所示，各種型號的傳感器、信號執(zhí)行輸出控制器、電氣設(shè)備驅(qū)動(dòng)裝置、各種信號交換傳遞芯片、LPC 處理器等。在CAN 總線中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是獨(dú)立的個(gè)體，也是可以相互通信交流的整體。而采用本身獨(dú)立的采集節(jié)點(diǎn)則是振動(dòng)信息采集，需要的信息數(shù)據(jù)采集完成后進(jìn)入SD 卡，通過CAN 總線監(jiān)察振動(dòng)信息數(shù)據(jù)的采集狀態(tài)以及存儲實(shí)時(shí)情況。

圖1 CAN 總線系統(tǒng)監(jiān)測總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件方案設(shè)計(jì)

作為整個(gè)全斷面掘進(jìn)機(jī)電子操縱系統(tǒng)核心的監(jiān)測控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)收集分析處理機(jī)器設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)等方面的信息數(shù)據(jù)，有效操縱機(jī)器設(shè)備的正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)信息收集板塊主要由輸出入電路I/O、各微型處理器、傳感器、集成放大電路、轉(zhuǎn)換器A/D、采樣保持電路、開關(guān)組成。操縱板塊則是主要由微型處理器、執(zhí)行控制輸出元件、輸出入電路I/O、晶閘管放大電路、各個(gè)開關(guān)于一體的操縱板面組合形成的多種操控器。LPC1768 為硬件的主控芯片，獨(dú)立時(shí)鐘源有三個(gè)，分別為RTC 振蕩器、主振蕩器和RC振蕩器，常用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應(yīng)用；聲光報(bào)警電路采樣CMOS 的光電傳感器，瓦斯超標(biāo)會自動(dòng)報(bào)警；光耦隔離電路采樣的是TLP521芯片，起到耦合傳輸信號和隔離作用；芯片74LS244作為數(shù)據(jù)的鎖存器和LG9110 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片加強(qiáng)信號驅(qū)動(dòng)能力。同樣信息數(shù)據(jù)也需要連接匯入總系統(tǒng)，進(jìn)行多方數(shù)據(jù)的信息傳送與交流。其功能的出現(xiàn)將對整個(gè)系統(tǒng)控制平臺產(chǎn)生極大的影響，信息傳遞軟件不但要實(shí)現(xiàn)信息交流能力，還要保障安全和可靠性。圖2 是監(jiān)測控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖，其采用模塊化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件示意圖

3 軟件方案設(shè)計(jì)

我國在了解國外維修監(jiān)測控制的基礎(chǔ)上，從中認(rèn)識到運(yùn)行狀態(tài)的研究與故障預(yù)防診斷給設(shè)備機(jī)器運(yùn)行帶來極大的改進(jìn)。全斷面掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)核心是監(jiān)測控制主板，設(shè)備機(jī)器的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)由它收集和處理，同樣也可準(zhǔn)確地監(jiān)測運(yùn)行情況。系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中的軟件和硬件都發(fā)揮著重要的作用，本次開發(fā)的軟件程序主要選擇Keil 編譯器，其可以在WindowsXP 操作系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行，使用C 語言進(jìn)行代碼編程。在系統(tǒng)運(yùn)行上，一個(gè)準(zhǔn)確的軟件程序是整個(gè)機(jī)器的正常運(yùn)行和執(zhí)行輸出的關(guān)鍵，所以設(shè)計(jì)上常采用由總到分、由上到下的模式，其采用模塊化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。初始數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)輸入通道4～6 個(gè)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，要初始化P0 口變?yōu)镚PIO 方式，設(shè)P0 口作為輸入，當(dāng)其端口的電平發(fā)生改變時(shí)，即可判定工作。轉(zhuǎn)換模擬量數(shù)據(jù)時(shí)，輸入的模擬通道共7～9 個(gè)，先對AD 模塊實(shí)現(xiàn)初始化，設(shè)置每次采樣的數(shù)據(jù)信息帶點(diǎn)，時(shí)間以及信息的存儲方式，同樣要采用除了最大和最小值的平均值方式進(jìn)行濾波，其流程如圖3-1 所示。在A/D 轉(zhuǎn)換后，每個(gè)收集數(shù)據(jù)通道會根據(jù)電平的改變計(jì)錄數(shù)據(jù)，把I、U、T、油量、壓強(qiáng)等信號一一進(jìn)行收集分析，存入FLASH 中，其流程如圖3-2 所示。同樣輸出控制程序也極為重要，如切割機(jī)的開停、電鉆機(jī)的開停、信號報(bào)警控制、整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行前的自我保護(hù)和故障報(bào)警裝置程序，上述程序都大同小異。程序執(zhí)行流程如圖3 所示。

圖3 軟件A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖

4 結(jié)語

本文通過對LPC 單片機(jī)內(nèi)部存儲器的詳細(xì)了解，主動(dòng)對處理器的儲存器進(jìn)行配置，在整個(gè)系統(tǒng)程序執(zhí)行的前期，首先明確CAN 總線時(shí)鐘頻率，設(shè)定周期中斷以及定時(shí)器外部地址。初始啟動(dòng)工作后，再進(jìn)行各分程序系統(tǒng)流程的運(yùn)行和數(shù)據(jù)分析，加入A/D 采樣程序轉(zhuǎn)換，最后執(zhí)行輸出。此系統(tǒng)同樣引進(jìn)實(shí)時(shí)監(jiān)測控制的報(bào)警程序等，從而實(shí)現(xiàn)了全斷面掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的智能監(jiān)測。