采煤機(jī)智能化工作面的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程偉

摘? 要：為實(shí)現(xiàn)無(wú)人工作面自動(dòng)化發(fā)展，提高采煤機(jī)自動(dòng)化水平，滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控需求，本文設(shè)計(jì)一款功能完善、實(shí)用性強(qiáng)的采煤機(jī)智能化工作面的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。首先，設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件總體方案。其次，分別設(shè)計(jì)采煤機(jī)基本控制功能、主從控制器的通訊、存儲(chǔ)模塊、采煤機(jī)控制系統(tǒng)軟件等模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有工作面自動(dòng)化水平高、數(shù)據(jù)交互及時(shí)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全等特點(diǎn)，符合預(yù)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。希望通過(guò)這次研究，為相關(guān)人員提供有效的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī)；智能化工作面；自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

在進(jìn)行工作面生產(chǎn)期間，采煤機(jī)作為一種核心設(shè)備，其自動(dòng)化水平高低，直接影響了煤礦井下工作面自動(dòng)化開采質(zhì)量[1]。目前，國(guó)內(nèi)自動(dòng)化工作面相關(guān)技術(shù)方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，但是，采煤機(jī)電控系統(tǒng)未結(jié)合工作面自動(dòng)化需求進(jìn)行針對(duì)性地設(shè)計(jì)，不利于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和相關(guān)參數(shù)的靈活配置，同時(shí)，還影響了后期設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控操作[2]。采煤機(jī)智能化工作面的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用可以有效地解決以上問題，通過(guò)設(shè)計(jì)和應(yīng)用該系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人工作面技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，還能最大限度地提高采煤機(jī)智能化控制水平，促使采煤機(jī)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。所以，強(qiáng)化對(duì)采煤機(jī)智能化工作面的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

1、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)效果，本文綜合運(yùn)用采煤機(jī)控制算法、智能算法，提高程序執(zhí)行的穩(wěn)定性和可靠性[3]。在本文系統(tǒng)中，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor，DSP）架構(gòu)，保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)的有效調(diào)度，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。整個(gè)系統(tǒng)硬件方案如圖1所示，從圖1中可以看出，主DSP2812為用戶提供輸入輸出、通信協(xié)議處理等服務(wù)體驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量信息、數(shù)字量信息的全面化采集，同時(shí)，還能保證觸摸屏通信質(zhì)量。在遠(yuǎn)程監(jiān)控功能中，利用控制器局域網(wǎng)總線（ControllerAreaNetwork，CAN），向上位機(jī)發(fā)送和傳輸所需要的采煤機(jī)工況信息，同時(shí)，利用上位機(jī)所下發(fā)的控制命令，遠(yuǎn)程化控制采煤機(jī)進(jìn)行運(yùn)行[4]。輔DSP28335可實(shí)時(shí)處理采煤機(jī)高級(jí)控制相關(guān)算法。此外，利用浮點(diǎn)運(yùn)算單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)牽引速度、截割高度等參數(shù)的智能化調(diào)整和控制，提高系統(tǒng)開發(fā)質(zhì)量和效率。通過(guò)將串行外設(shè)接口（SerialPeripheralinterface，SPI）設(shè)置于主DSP與輔DSP之間，可以保證主輔DSP之間通信的穩(wěn)定性。

2、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1采煤機(jī)基本控制功能設(shè)計(jì)

2.1.1數(shù)字量接口設(shè)計(jì)

數(shù)字量接口包含數(shù)字量輸入接口和數(shù)字量輸出接口，通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)字量接口，可以智能化監(jiān)測(cè)和控制采煤機(jī)及相關(guān)狀態(tài)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)數(shù)字量接口模塊時(shí)，利用主DSP2812，采用光電隔離設(shè)計(jì)方式，對(duì)I/O接口進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的有效保護(hù)，還能提高驅(qū)動(dòng)電壓值，保證采煤機(jī)自動(dòng)化控制水平[5]。

2.1.2數(shù)字量采集接口設(shè)計(jì)

數(shù)字量信號(hào)采集模塊主要用于變頻器數(shù)據(jù)、傾角數(shù)據(jù)、編碼器數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)的全面化、智能化采集。在采集以上數(shù)據(jù)時(shí)，需采用下發(fā)固定格式，對(duì)所需傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并利用RS485接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為12Mbps，運(yùn)用串行組合的方式，不斷地延長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離，使其距離延長(zhǎng)至1220m。

在進(jìn)行采煤機(jī)RS485接口設(shè)計(jì)期間，采用異步串口的方式，將鋰離子充電電池（SuperChargeionbattery，SCIB）模塊與RS485電平收發(fā)器芯片進(jìn)行有效地連接。采煤機(jī)RS485接口原理如下：首先，將SCIB模塊的輸入引腳與芯片接收器輸出（ReceiverOutput，RO）相連接；將輸出引腳與芯片驅(qū)動(dòng)器輸入（DriverInput，RI）相連接。其次，采用引腳高低電平轉(zhuǎn)換方式，對(duì)信號(hào)輸入、輸出流程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。最后，利用采煤機(jī)控制器，對(duì)所需要的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和整理[6]。

2.1.3模擬量采集接口設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)模擬量采集接口時(shí)，選用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）模塊，ADC接口電壓范圍值為0～3.4V，利用ADC接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化，從而保證DSP電平管控水平[7]。

2.1.4通訊接口設(shè)計(jì)

通訊接口設(shè)計(jì)目的是幫助采煤機(jī)與顯示屏之間更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳、共享和利用。本文利用RS232串口，智能化監(jiān)測(cè)和控制采煤機(jī)本機(jī)狀態(tài)。此外，運(yùn)用異步串口模塊，將其與RS485電平收發(fā)器芯片進(jìn)行有效連接，從而保證通訊質(zhì)量。

2.2主從控制器的通訊設(shè)計(jì)

在進(jìn)行主從控制器通訊設(shè)計(jì)時(shí)，利用傳感器，可以對(duì)所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、預(yù)處理，并嚴(yán)格按照所設(shè)置好的數(shù)據(jù)格式，將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送、傳輸至輔DSP中，由輔DSP結(jié)合所接收到的數(shù)據(jù)，對(duì)相關(guān)高級(jí)算法進(jìn)行有效地執(zhí)行，并按照一定數(shù)據(jù)格式，將最終計(jì)算結(jié)果發(fā)送和傳輸至主DSP中，由主DSP智能化控制采煤機(jī)外設(shè)情況。主輔DSP之間，除了可以實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)外，還能有效地接收數(shù)據(jù)。本文利用SPI接口，為主輔DSP之間打造一條全雙工通信之路，保證數(shù)據(jù)通訊質(zhì)量和效率。

2.3存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)目的是安全存儲(chǔ)和管理采煤機(jī)實(shí)際工作期間所產(chǎn)生工況的數(shù)據(jù)，便于其他人員對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和調(diào)用，為后期煤層模型構(gòu)建提供重要的數(shù)據(jù)支持。當(dāng)煤層模型構(gòu)建完畢后，相關(guān)人員結(jié)合該模型數(shù)據(jù)，可以對(duì)搖臂的調(diào)高軌跡進(jìn)行精確化計(jì)算。在本文系統(tǒng)中，運(yùn)用安全數(shù)字（SecureDigital，SD）卡，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)工況數(shù)據(jù)、煤層模型數(shù)據(jù)的安全化存儲(chǔ)。

2.3.1 SD卡讀寫

SD卡具有存儲(chǔ)容量大、讀寫速度快、性能穩(wěn)定、安全性高等優(yōu)勢(shì)，SD卡支持SD、SPI兩種運(yùn)行模式。在DSP芯片中，內(nèi)置了SPI外設(shè)裝置，為保證本文系統(tǒng)存儲(chǔ)能力，本文優(yōu)先選用SPI模式，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)SD卡讀寫功能。

2.3.2文件系統(tǒng)移植

為實(shí)時(shí)交換和最大化利用采煤機(jī)控制器所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，本文將FatFS文件移植于DSP中，從而保證數(shù)據(jù)交換功能實(shí)現(xiàn)效果。FatFS作為一種通用的文件配置表（FileAllocationTable，F(xiàn)AT）系統(tǒng)模塊，主要是針對(duì)小型嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。該文件系統(tǒng)模塊具有較強(qiáng)的可配置能力，滿足嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需求。FatFS與I/O層相互獨(dú)立，可直接移植到低成本微控制器中，使用方便。在進(jìn)行文件系統(tǒng)移植期間，首先，需新建工程文件，向該工程文件添加相關(guān)源文件，并編寫相關(guān)底層操作程序和配置相關(guān)函數(shù)。其次，對(duì)SPI外設(shè)進(jìn)行初始化處理，運(yùn)用SPI方法，科學(xué)設(shè)置SPI始終頻率、工作模式。最后，新建DSP工程文件，并利用應(yīng)用程序編程接口（ApplicationProgrammingInterface，API）函數(shù)，對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫。

2.4采煤機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采煤機(jī)智能化工作面的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程如下：利用主程序，初始化處理系統(tǒng)程序和硬件外設(shè)裝置，同時(shí)，采用DSP啟動(dòng)方式，分析和判斷系統(tǒng)啟動(dòng)功能是否可自動(dòng)控制。在主DSP中，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)程序功能：（1）采集信號(hào)發(fā)送中斷子程序。在該子程序中，運(yùn)用周期函數(shù)，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集命令進(jìn)行定時(shí)啟動(dòng)或者中斷處理。（2）采集中斷子程序。運(yùn)用該子程序，可以全面化采集和整理數(shù)字量的傳感器信息。（3）AD采集中斷子程序。運(yùn)用該子程序，可以全面化采集和整理模擬量。當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)采集完畢后，可借助數(shù)據(jù)解析任務(wù)，實(shí)時(shí)解析處理所接收到的數(shù)據(jù)，從而獲得采煤機(jī)控制指令，結(jié)合所采集好的指令信息，智能化控制采煤機(jī)工作過(guò)程。接下來(lái)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)字量采集子程序、主輔DSP通訊子程序。

2.4.1數(shù)字量采集子程序

數(shù)字量采集流程如圖2所示，在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，需采用硬件中斷的方式，運(yùn)用周期函數(shù)，向串行通信接口（serialcommunicationinterface，SCI）模塊定時(shí)發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，啟動(dòng)SCI模塊自動(dòng)發(fā)送中斷子程序，并將周期函數(shù)的啟動(dòng)時(shí)間間隔設(shè)置為60ms。當(dāng)周期函數(shù)處于正常啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，首先分析和判斷發(fā)送標(biāo)志位是否大于5，如果大于5，需將發(fā)送標(biāo)志位設(shè)置為1，利用傳感器，實(shí)時(shí)接收發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)命令，并對(duì)引腳電平啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送中斷流程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)，對(duì)標(biāo)志位進(jìn)行自動(dòng)加1，當(dāng)標(biāo)志位大于1小于5時(shí)，即可對(duì)相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)采集命令進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)送。利用數(shù)據(jù)接收函數(shù)，分析和判斷是否接收完一組數(shù)據(jù)，如果是，自動(dòng)進(jìn)入到數(shù)據(jù)解析環(huán)節(jié)中。

2.4.2 DSP通訊子程序

為保證主輔DSP之間通訊質(zhì)量，需采用SPI模式，將主DSP設(shè)置為主設(shè)備，運(yùn)用軟中斷處理方式，對(duì)所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)送，并利用周期函數(shù)，將周期發(fā)送時(shí)間間隔設(shè)置為600ms，同時(shí)，運(yùn)用硬件中斷的方式，對(duì)輔DSP數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收。DSP的SPI通訊流程如圖3所示。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文結(jié)合煤礦自動(dòng)化工作面使用需求，完成采煤機(jī)智能化工作面的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本次研究得到以下幾個(gè)結(jié)論：（1）本文以“電牽引采煤機(jī)”為案例，提出面向自動(dòng)化工作面的采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案，為保證自動(dòng)化工作面發(fā)展水平產(chǎn)生了積極的影響。（2）做好系統(tǒng)控制平臺(tái)的構(gòu)建。首先，分別設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸入輸出、通訊、存儲(chǔ)等模塊接口。其次，為確保主輔控制器表現(xiàn)出強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交互能力，完成基于SPI通訊方式的設(shè)計(jì)，并科學(xué)地設(shè)置了數(shù)據(jù)幀格式。再次，重點(diǎn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊，達(dá)到安全存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和移植系統(tǒng)文件的目的。最后，結(jié)合系統(tǒng)軟件流程，完成數(shù)字量采集子程序、DSP通訊子程序設(shè)計(jì)，保證采煤機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)建水平?？傊疚南到y(tǒng)具有工作面自動(dòng)化水平高、數(shù)據(jù)交互及時(shí)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全等特點(diǎn)，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)

[1]李春華，孫曉，寧權(quán)。智能化采煤工作面采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2023，41（10）：87-90.

[2]郝鑫波。智能化工作面采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的分析與應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā)，2022，37（5）：208-209，216.

[3]高江波。智能綜采工作面采煤機(jī)割煤情況自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].機(jī)械管理開發(fā)，2022，37（1）：229-231.

[4]顏燚。自動(dòng)化工作面的電牽引采煤機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2023，38（1）：215-217.

[5]劉鳳偉，任文永，李繼忠等。正利煤礦綜采工作面全系統(tǒng)智能化控制的實(shí)現(xiàn)[J].煤礦安全，2019，50（9）：116-119.

[6]弓華忠。智能化采煤工作面采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江西煤炭科技，2024（1）：200-202.

[7]白寧。智能化采煤工作面采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2023（3）：209-211.

作者單位：國(guó)能億利能源有限責(zé)任公司黃玉川煤礦