掘进机实时监控系统的设计范文

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《矿山机械杂志》2015年第十一期

掘进机、输送机、采煤机及液压支架是综合开采的4种核心设备，EBZ系列悬臂式掘进机是实现煤层剥离、装载运出及移动行走于一身的煤矿机械设备[1]。在煤矿生产机械化、自动化水平日益提高的今天，通过现代控制技术、计算机技术及通信技术等手段，进一步提高悬臂式掘进机的工作稳定性与可靠性，克服人工控制方案的缺陷具有重要的现实意义。目前，掘进机远程监控系统采用的通信方式以RS485总线为主，而RS485总线正常传输距离仅在1000m以内，同时它只能使用主从结构，当有多个节点存在时，容易发生数据传输混乱，通信效率不高。笔者设计了一种基于CAN总线的EBZ掘进机实时监控系统，通信距离可达10km，实现了掘进机的远距离遥控作业，该系统数据传输量大、通信安全可靠，可以降低操作者劳动强度，提高了煤矿开采效率与安全性，为提高悬臂式掘进机自动控制水平提供了有益借鉴。

1控制系统总体设计

EBZ系列掘进机属于掘锚一体机，结构较为复杂，主要的控制系统包括驱动主回路、操作控制回路、检测传感回路及安全保护回路4部分[2]。在控制系统工作中，需要检测的参数主要包括电动机温度、电动机电流、环境瓦斯浓度、液压系统油温与油位、压力、整机漏电状况及接地等故障等。基于CAN总线的EBZ掘进机实时监控系统主要由分布式传感器、独立的处理器、CAN通信芯片及电力驱动器等部分构成，系统通过CAN总线实现系统通信，对掘进机工况进行实时监控并进行相应的保护。掘进机启动前，系统将对切割电动机、油泵电动机等进行全面检测，避免漏电、过压等故障的出现，从而保证了掘进机启动工作的稳定与可靠。控制系统原理如图1所示。

2控制系统的实现

2.1系统核心硬件选型掘进机的工作环境十分恶劣，各种干扰、粉尘对控制系统各部件的可靠性与稳定性均提出了比较苛刻的要求。在恶劣的工作环境下，若要系统顺畅稳定工作，首先要选用稳定可靠的控制核心，该设计系统的主控芯片选择了LPC1768系列的Cortex-M3微型控制器，CAN总线通信收发芯片使用了SN65HVD230系列，该收发器抗干扰能力出众、可靠性突出，在掘进机工作环境中应用极为适合。

2.2截割臂摆速控制方式掘进机截割臂通过截割头与截割臂的协同运动，完成了煤岩部分的掘进与截割，其准确控制在掘进机的控制中占据重要地位。该设计采用的控制方式为使用对电流与振动信号的有效检测，为系统提供双输入的控制依据，通过电流与煤岩硬度两方面的判断，结合模糊控制的方法完成截割臂摆速的实时控制，截割臂摆速控制的原理如图2所示。

2.3硬件系统设计硬件系统的核心是监控主板，主板的主要功能是完成掘进机工况过程中的数据采集，并根据数据情况进行控制。具体数据采集由采集模块完成，采集模块包括各种传感器、信号处理电路、A/D转换电路、各种I/O接口电路及控制器等结构。掘进机控制模块主要包括控制器、控制开关、信号处理电路、I/O接口电路和各种执行机构等部分，系统控制分站的硬件结构如图3所示。

2.4主要电路设计(1)晶振与复位电路设计系统控制中心LP1768，该控制器有主时钟振荡器、RTC时钟振荡器及内部RC振荡器3个独立的时钟源[6]。该设计针对RTC使用了32.86kHz晶振，主晶振使用了12kHz，为了保证各个芯片运行的稳定可靠，在VDD与VSS之间设计了去耦电容。RTC晶振频率使用了32.86kHz晶振，主要提供RTC所需的时钟源，具体晶振与复位电路如图4所示。(2)总线收发电路设计CAN总线收发电路决定了系统数据收发的稳定可靠，设计中将SN65HVD230中的D、R两引脚分别与F040的TX与RX并联电阻后再相连，起到终接电阻的作用，设计中终接电阻取120，总线收发电路设计如图5所示。

2.5软件设计整个监控系统通过结构化程序思想完成整个软件设计，软件主要完成现场数据采集、数据分析处理、有效数据存储、控制命令输出及现场通信能功能，软件执行过程可简单描述为程序开始、完成初始化工作且启动各个电动机，从而检测系统是否存在故障；发现故障停机报警，无故障则正常启动掘进机，根据控制命令进入到工作过程的监控模式。系统通信部分核心功能是CAN控制器对数据帧的相应分析，程序执行过程首先要调用中断程序，然后接收数据，并分析判断，错误数据清除并发送错误信息，正确数据存入存储器备用，系统的主程序与响应帧数据流程如图6所示。

3结语

以EBZ系列掘进机为研究对象，使用CAN总线技术作为通信方式，从硬件设计与软件开发两个角度，设计了基于CAN总线的EBZ掘进机实时监控系统，系统实现了掘进机的分布式实时控制，降低了控制系统的故障率，提高了掘进机工作的稳定性与可靠性。

作者：于海燕 巨筱 张保龙 郑军辉 单位：郑州科技学院 郑州煤矿机械集团股份有限公司