基于Linux系統(tǒng)的采煤機調(diào)速主控系統(tǒng)設(shè)計

陳旭寧

（山西西山晉興能源有限責任公司， 山西 太原 030000）

引言

目前煤礦井下采煤機主控調(diào)速系統(tǒng)絕大多數(shù)都是采用PLC為主控制器，造成了控制器體積大、成本高、通信方式比較單一、擴展性差等缺點，在一定程度上限制了其進一步廣泛應(yīng)用。所以本文在此基礎(chǔ)上提出了一種基于嵌入式的采煤機調(diào)速主控系統(tǒng)。這個系統(tǒng)采用Linux作為底層的操作系統(tǒng)，在處理器方面采用了比較先進的ARM9系列的AT91SAM9G20，主頻能夠達到400 MHz。同時這款芯片還具備強大的通信功能和外圍的電路接口，在價格方面也比較實惠。基本上能夠解決PLC系統(tǒng)的所有缺點[1]，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的人際交互界面，具有強大的可定制性。

1 主控系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由管理層、控制層以及I/O接口層三部分組成。其中管理層主要的任務(wù)是監(jiān)控采煤機的工作狀態(tài)，將收集到的數(shù)據(jù)進行處理及存儲，同時還負責人機界面的數(shù)據(jù)交互。控制層的主要任務(wù)是完成采煤機整個控制系統(tǒng)相關(guān)算法的計算以及實現(xiàn)控制過程，同時還負責計算外接傳感器等傳輸回來的數(shù)據(jù)，是整個采煤機控制系統(tǒng)的核心所在。而I/O用戶接口主要是負責與外接的設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳遞，比如說傳感器采集到的信息以及控制器的命令下達都要通過這一層。

2 主控系統(tǒng)硬件部分

如圖1所示為主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，從圖中我們可以看出主控系統(tǒng)大致由CPU核心控制單元、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、I/O模塊、存儲電路模塊、通信模塊、無線模塊等組成。

圖1 主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 CPU選型

在整個控制系統(tǒng)中CPU性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到這個系統(tǒng)的性能好壞，在選擇CPU時我們不僅要考慮數(shù)據(jù)處理能力，還需要考慮所支持的通信接口多少、I/O接口的數(shù)量以及自身具備的存儲能力等。本文采用了應(yīng)用比較廣泛的ARM系列處理器，具體型號為AT91SAM9G20，是一款A(yù)RM9系列的擁有400 MHz主頻的處理器。能夠搭載Linux系統(tǒng)，含有32 KB的高速緩存，2個CAN接口和1個以太網(wǎng)接口。同時還具有4個12位的A/D通道，以及DMA處理器。最多支持105個I/O口[2]。

2.2 電源模塊設(shè)計

一個控制系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵就是電源能夠穩(wěn)定可靠的工作，所以本系統(tǒng)的重點設(shè)計也是通過電源設(shè)計展開。而在設(shè)計電源時由于系統(tǒng)里面包含的電壓等級多，交流和直流都有用到，如何做到不同電壓種類之間的隔離防止相互干擾直接關(guān)系到電源的質(zhì)量。本文中用到24 V直流電源的有顯示器和繼電器，這里采用AC220S24DC電壓轉(zhuǎn)換芯片直接將交流220 V的電壓轉(zhuǎn)換為24 V的直流電源。中間還裝有熔斷器。對電源中電流超標后引起事故起到保護作用，同時在輸出端利用電解電容來濾除電源里的紋波使直流成分更加的干凈。除此之外系統(tǒng)中還用到了5 V和3.3 V的電壓，這些電壓都是通過電源轉(zhuǎn)換芯片來降壓達到的，在輸出側(cè)都有電解電容進行濾波。

2.3 數(shù)字量模擬量處理

本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集包括數(shù)字量和模擬量兩種數(shù)據(jù)類型：

1）使用開關(guān)量信號的一般是采煤機的一些控制部件，用來控制開關(guān)和向CPU傳遞設(shè)備的狀態(tài)信號。本電路將開關(guān)量信號通過光電隔離模塊后直接傳輸?shù)紺PU的I/O口。而開關(guān)量輸出主要是用來控制繼電器的通斷，將輸出的數(shù)字量信號同樣的經(jīng)過光電隔離模塊后到達控制器件。本文中采用的光電隔離模塊的型號為PS2805-4，該芯片具有雙向?qū)ǖ奶匦裕疃嗫梢赃M行4通道的信號隔離。而繼電器的驅(qū)動采用型號為ULN2803的8路達林頓管來進行[3]。

2）由于采煤機控制系統(tǒng)內(nèi)有相當一部分是采用模擬量來控制的，并且CPU只能識別電壓信號，所以我們設(shè)計了一款可以進行模擬量轉(zhuǎn)換的電路，如圖2所示，可以將4～20 mA的電流信號轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號。方便CPU進行A/D轉(zhuǎn)換。

圖2 信號調(diào)理模塊

2.4 通信設(shè)計

由于采煤機的工作環(huán)境比較惡劣，對通信的干擾比較多，所以我們綜合考慮采用抗干擾能力比較強的CAN總線來實現(xiàn)通信。由于CPU內(nèi)部支持CAN通信，只需要設(shè)計外部發(fā)CAN收發(fā)模塊就可以了。這里采用型號為8X250的CAN芯片來實現(xiàn)信號的收發(fā)。為了減少干擾依然采用光電隔離模塊來隔離信號，同時還采用了防止浪涌和雷擊的模塊，型號分別是PSM712和SMD014。

2.5 無線遙控設(shè)計

為了方便井下采煤機的控制，我們設(shè)計了一款無線遙控器，具體的功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。從圖中可以看出遙控器可以分為兩部分遙控主機和副機。其中主機采用STM32L系列的芯片作為主控芯片，這款芯片最大的特點就是低功耗。除此之外還有電源和鍵盤模塊。而由于副機不用考慮供電問題，所以我們采用STM32F系列主打性能的芯片CPU，與設(shè)備的通信采用RS-485總線而協(xié)議則采用工業(yè)上普遍使用的Modbus協(xié)議。從而能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，并通過遙控器來控制采煤機[4]。

3 主控系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的所有軟件都是建立在Linux的基礎(chǔ)上設(shè)計的。根據(jù)具體的功能采用模塊化的設(shè)計思路來實現(xiàn)的。

圖3 無線遙控器結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 Linux系統(tǒng)移植

由于采煤機操作任務(wù)比較復(fù)雜，動作線程比較多所以這里引入了Linux作為底層的操作系統(tǒng)。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)多線程的處理，以充分的利用CPU資源[5]。同時Linux操作系統(tǒng)還在通信管理、內(nèi)存管理、文件管理方面都具有很優(yōu)秀的特質(zhì)。以下是具體的系統(tǒng)移植流程：

1）由于Linux固有的特點所以不能夠在開發(fā)板上直接進行安裝和調(diào)試，而是需要在計算機上編輯完成后下載到開發(fā)板上。首先要需要在官方網(wǎng)站上下載系統(tǒng)的源碼，并對其進行內(nèi)核文件的配置；然后進行交叉編譯。

2）其次是對系統(tǒng)根據(jù)需求進行內(nèi)核的定制，主要包含中斷管理、內(nèi)存管理、中斷服務(wù)程序等。這些功能都是在完成系統(tǒng)的源代碼編譯后進行的。具體的編譯過程可以通過Makefile文件來實現(xiàn)[6]。

3）BootLoader程序在Linux系統(tǒng)中的作用就是初始化時引導程序運行到用戶程序上，首先是啟動硬件設(shè)備進行初始化，然后是準備RAM空間和代碼的拷如，最后是對程序進行配置堆棧和設(shè)置程序指針的入口。這些都進行完畢后就是一些用戶程度的驅(qū)動底層配置了。

4）文件系統(tǒng)也是移植系統(tǒng)重要的一環(huán)，根文件系統(tǒng)是基于busybox來完成的。

3.2 控制功能程序設(shè)計

采煤機的核心部件就是電機，所以我們控制器程度的核心也就是對電機的控制，其中包括具體的算法程序、通信程序以及數(shù)據(jù)的采集和處理程序等。為了更好地控制采煤機的電機，本文采用了比較先進的最小拍無紋波控制算法來實現(xiàn)。系統(tǒng)的控制流程如下頁圖4所示。

從流程圖中我們可以看出，當整個系統(tǒng)完成初始化后接下來就是根據(jù)通信管理機和無線遙控器來進行采煤機電機的速度監(jiān)測和控制，然后將采集到的信息上傳到CPU，而CPU會根據(jù)預(yù)定的控制算法來進行速度調(diào)節(jié)，然后將計算后的速度數(shù)據(jù)傳輸給電機。其中通信管理模塊主要是負責傳遞信息，而遙控主機主要是用來控制采煤機的運行狀態(tài)。

圖4 主控裝置程序流程圖

4 試驗性能測試

由于國家對煤礦設(shè)備都有嚴格的參數(shù)控制標準，所以在實際使用前都要經(jīng)過嚴格的現(xiàn)場測試，得到的測試結(jié)果如表1所示：

表1 測試結(jié)果

從表1中可以看出：本系統(tǒng)的各項技術(shù)參數(shù)都滿足設(shè)計指標，并且達到了國家相關(guān)的標準規(guī)定。具備了實用的可能性。

5 結(jié)語

通過實驗室功能驗證和現(xiàn)場的工業(yè)性測試驗證了本系統(tǒng)功能的完整性以及運行的穩(wěn)定性，完全符合工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用要求。也證明了本設(shè)計的科學性以及合理性，為礦井下同類新設(shè)備的設(shè)計提供了經(jīng)驗。

[1] 唐文凱.針對電牽引采煤機概念設(shè)計的相關(guān)研究[J].科技與創(chuàng)新，2015（20）：107-108.

[2] 王劍.電牽引采煤機概念設(shè)計力法研究[J].煤礦機械，2015，36（4）：118-120.

[3] 王慶紅，王紅英.基于計算機控制的采煤機開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)研究.煤炭技術(shù)，2014，33（1）：48-50.

[4] 何明星.電磁調(diào)速電牽引采煤機離散時間控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].北京：中國礦業(yè)大學，2016.

[5] 范漢斌.PLC的生產(chǎn)機械控制電路缺陷與改進探討[J].科技與創(chuàng)新，2015（16）：84-85.

[6] 趙華瑋.基于Linux平臺的煤礦智能瓦斯巡檢技術(shù)[J].煤炭技術(shù)，2016，35（3）：243-244.