基于嵌入式技術的刮板輸送機鏈條張緊控制系統

畢東柱

(北京天地瑪珂電液控制系統有限公司，北京100013)

隨著綜采技術的發展，煤礦對綜采工作面機械化、自動化的要求越來越高。工作面刮板輸送機正逐步向大功率、大運量和高可靠性方向發展。傳統刮板輸送機張緊系統多采用手動方式進行調節，但由于鏈條張力值隨負載量大小和時間推移而變化，常常會使鏈條在運行中處于過松或過緊的狀態。過松會造成刮板鏈在驅動鏈輪分離點處松弛，甚至發生堆積而導致斷鏈、卡鏈或斷齒等事故;控制的過緊則會增大運行阻力，使刮板輸送機功率消耗過大，元件過度磨損。為了保證刮板輸送機在不同的負載工作條件下能夠正常工作，工作人員必須經常對刮板輸送機鏈條進行手動調節，既增加了工人的勞動強度，又不能實時保護鏈條處于合理范圍之內。本文針對這一問題，研究設計了基于嵌入式技術的刮板輸送機鏈條張緊控制系統。通過該控制系統可以有效地對鏈條的松緊程度進行監控，及早發現問題，進一步對油缸進行控制，從而調整鏈條的松緊。

1 刮板輸送機鏈條張緊控制系統的組成

基于嵌入式技術刮板輸送機鏈條張緊控制系統主要由電源、控制器、壓力傳感器、位移傳感器、啟停傳感器、數據存儲盒、液壓系統等組成，其結構如圖1所示。嵌入式本安控制器是系統控制的核心，主要實現系統控制流程，數據采集，系統配置、人機交互等功能。此系統配置機頭和機尾2個控制器，均由1個本安型電源箱供電。其中機頭控制器通過啟停傳感器采集刮板輸送機電機的電流信號來判斷刮板機是否開啟，同時通過CAN通訊通知結尾控制器;控制器通過采集壓力和位移信號，結合參數設置來控制液壓系統的伸缸或收缸，從而調節鏈條的松緊程度;當刮板輸送機電機啟動后控制器每1s通過串口把采集的壓力和位移值傳送給存儲盒，以便日后分析;控制器包含自動控制、手動控制、急停及故障聲光報警等功能。

圖1 刮板輸送機鏈條張緊控制系統組成

2 嵌入式控制器的設計

2.1 硬件設計

嵌入式控制器硬件主要包括MCU，OLED顯示、聲光報警、開關量采集、模擬量采集、電磁驅動、CAN通訊、串口通訊、時鐘、急停和電源轉換模塊11個部分。

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，運行μC/OS操作系統，在windows平臺上采用c語言設計刮板輸送機鏈條張緊控制程序。

模擬量采集模塊實現對壓力傳感器、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，其安裝在機頭位置的刮板輸送機電機的輸出電纜上，當電機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值，從而判斷刮板機是否開啟;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，控制器通過模擬量采集模塊采集油缸的壓力和位移數值，從而結合參數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，實時性要求較高，各個節點平等的現場中使用。機頭控制器通過CAN的標準幀協議把啟停傳感器的采集結果和本架的壓力、位移數據傳輸給機尾控制器，機尾控制器通過232串行端口把本架控制器和機頭控制器的傳感器數值連同采集時間傳給存儲盒，以備日后分析。

急停模塊可響應2種急停信號。嵌入式控制器有一個急停按鈕，當檢測到該按鈕按下時，直接切斷本架電磁驅動的供電，讓本架油缸不再伸縮動作;當急停按鈕按下后，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動的供電，同樣達到不讓油缸伸縮的目的。

交互模塊包括OLED顯示、開關量采集、聲光報警3個模塊。OLED顯示屏用來顯示3種傳感器的數值以及參數的設定值;鍵盤采用開關量采集模塊來實現，用于控制器的控制和參數的修改;當刮板機的鏈條處于過緊或過松狀態時，控制器進行聲光報警。

2.2 軟件設計

嵌入式控制器軟件設計包括手動控制程序設計、自動控制程序設計、菜單參數設計、數據采集和存儲4個部分。

手動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。當按下油缸動作按鍵后，控制器向電磁驅動器發送動作命令，驅動器驅動電磁閥吸合，控制油缸動作;同時控制通過I/O端口。軟件流程如圖2所示。

圖2 手動控制程序流程

自動控制程序是本系統的重點軟件設計部分，其控制流程如下:控制器先檢測是否為自動控制模式，如果是自動模式，則通過開停傳感器檢測刮板輸送機是否開啟;如果沒開啟則間隔S時間再進行判斷，如果已開啟，則進行實時監測并控制;先檢測位移傳感器和壓力傳感器是否正常，如果不正常則進行聲光報警提醒操作人員更換傳感器，如果正常則根據自動控制流程進行控制?？刂破鲀炏雀鶕怠靶谐滔孪蕖?、“行程上限”、“行程偏移”和實際采集到的位移傳感器數據進行判斷，如果超出設定范圍，進行聲光報警提醒并通過組合開關使刮板機停機;如果在設定范圍內，控制器再根據參數“壓力下限”、“壓力上限”、“壓力偏移”和實際采集到的壓力傳感器數據進行判斷，控制電磁驅動執行伸油缸或收油缸動作使鏈條張力達到平衡位置。

菜單參數是結合自動程序的控制流程所需要的關鍵點設置的參數，其參數內容見表1。

表1 參數列表

數據采集和存儲分為數據采集模塊和存儲模塊。其中數據采集采用冒泡排序算法;數據存儲采用串口通訊把數據寫入PHILIP公司提供的EasyUDisk模塊中。

3 現場應用

基于嵌入式的刮板輸送機鏈條張緊控制系統經安裝調試后已在石槽村煤礦穩定運行了4個月。井下泵壓為31.5MPa，張緊裝置調定輸出 5.5～6.0MPa，鏈條每天以2～3mm伸長，并經過了1次截鏈子操作，在運行期間一直處于穩定狀態，未出現卡鏈或斷鏈情況。相比過去的方式首先使鏈條的日伸長量減少，延長了截鏈子的時間，同時避免了由于鏈條過松卡鏈造成的停機現象。

4 結束語

實踐證明，這套系統能夠有效地對刮板運輸機的油缸位置進行調整，從而使鏈條處于正常工作狀態，即不會太緊也不會太松，不僅延長了機器的使用壽命，還減輕了工人的勞動強度。該系統的投入使用對煤礦井下自動化、無人化的進展具有積極的意義。

［1］毛 君，吳平穩，張東升．刮板輸送機機尾伸縮裝置的理論研究 ［J］．起重運輸機械，2004(11).

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

［3］劉克銘，徐廣明.刮板輸送機鏈條張力測控系統設計 ［J］.起重機械運輸，2009(8).