采煤機變頻器自動預警系統設計

王 銘

（大同煤礦集團機電管理處，山西大同 037003）

0 引言

為了實現采煤機數據的收集、數據的傳輸、工作的實施，需要在統一的通訊協議下，使用物理計量的傳感器采集信息，然后通過有線電線進行遠距離的輸送，這種方法主要依賴于安全報警系統電腦的中央處理器來進行操作，但是只能以只讀的方式在顯示器上顯示，等待工作人員的檢查[1]。如今，采煤機有了新的功能——變頻安全預警，采煤機的變頻安全預警主要是由安全信息的收集、遠距離的輸送、數據處理與顯示這3部分組成，對應安全信息收集系統、遠距離輸送系統、數據處理與顯示系統這3個系統。采煤機溫度、振動等數據都是由安全數據來記錄的，現場的總線主要是在同一通訊的前提下由遠距離輸出來傳送。而傳送后數據的處理與顯示主要在監控中心的電腦上由中央處理器等來完成的。

1 預警系統硬件設計

1.1 通訊模塊

通訊系統的設計如圖1所示，數據的收發機是MAX485，它的主要作用是收集采煤機運行的數據，然后經過RS-485將數據傳送。但是在實施的過程中有兩個重要的問題需要考慮，一是在數據的傳出和接收的時候怎樣能保證數據的可靠性和穩定性；二是在數據的輸送過程中如果有的設備出現故障，怎樣能保持RS-485在使用的過程中保證數據不受影響，順利到達控制中心，同時確保電路不能出現過載，不能影響整個線路的運行，如果出現意外，將會對系統傳送的數據和設備帶來不能挽回的損失。

圖1 系統通訊原理

1.2 A/D轉換模塊

通過對采煤機變頻器工作環境、安全報警系統對主控機的要求和經濟實用型，選擇了STC15W4K56S4型單片機當做下位機的主控機，它的運行速度為115 kb/s、內部是由A/D轉換器和比較器組成的。它在運行過程中有耗能低、運行速度快等優點，主要是因為順序比較器在每一次運行的時候把設備輸入的電壓與A/D轉換器輸入的電壓進行對比后再運行，這一轉換的過程是由單片機內部的累加器來運行的[2]。

2 預警系統軟件設計

2.1 下位機

為了達到設備變頻器的安全預警在數據收集中的要求，主要是由TC15W4K56S4型單片機組成的下位機對設備變頻器的溫度、振動等物理數據進行收集，從現場總線輸出后，通過通訊模塊的子程序、數模轉換子程序、溫度和數據處理的子程序組成的軟件系統作用后完成了對變頻器安全情況的檢查工作。

為了提高預警系統上位機的準確性，通過增加采集、運輸、處理等環節的敏感度。并且提出了改進后的設計思路，通過收集溫度數據，用均方誤差的方法算出離散點，分析其振動能量和信息，圖2所示為下位機的結構圖。

圖2 系統下位機框圖

2.2 上位機

設計人員在設計上位機的人機交換界面時，首先為了方便不同級層的工作人員來操作設備并且不受限制，對設備安裝了安全預警界面。在系統通電之后，將第一次通過指令校準的系統接口和測試密碼的訪問參數都設置在相同的時間。在工作人員到達設置這一步驟時使用編號，若是設備需要維修時，高級用戶需要獲取權限或者聯系廠家[3]。為了方便安全人員能夠隨時查看設備變頻器的運行數據，在顯示屏上，設備會通過歷史曲線將機器運行的一段時間內溫度和振動等物理數據進行顯示。

3 系統測試

根據設備安全預警系統的設計要求，相關零件的監測主要是為了預警哪一部分的硬件發生了故障，這是硬件調試的主要目的。解決在設計過程中可能出現的問題和電路板在生產過程出現的故障，使它們符合系統設計的要求[4]。

在硬件調試的時候，主要是通過以下幾個方面進行的。在生產電路板之前，需要按照功能的設計逐一比較，在完成設備硬件的組裝和焊接之后，需要將硬件的原理圖、接線圖為參考將電氣元件進行靜態檢查，確保集成電路芯片的焊接沒有出現問題。隨后通過萬用表進行檢測，按照模塊化的測試方向進行測試，確保各個部分的焊接不能出現短路現象，在測試的最后階段對電板的性能進行檢查，根據模塊化的思維檢查安全預警的子程序是否達到想要的標準。

3.1 通訊測試

為了對采煤機變頻器安全報警系統進行測試，通訊測試系統通過使用觸摸屏、信號轉換器、串口調試助手對Modbus系統進行了數據驗證[5]。通訊測試系統主要是以Modbus為基礎然后在上位機的觸摸屏上設置數據與程序，經過數據傳輸系統發送到下位機單片RS-485。通訊測試系統的原理如圖3所示，它主要是通過通信參數，將串口調試收集到的數據處理后顯示在大屏幕上，并且與單次檢測到的數據進行對比從而完成對系統的檢查[6]。

圖3 通訊測試原理圖

3.2 A/D轉換模塊

實驗板A/D轉換的穩定性和準確性是由計算機、串口調試器、串口調試器通訊電纜等一起實現的[7]。在設備運行的時候，為了增加數模轉換的準確性和穩定性，主要是通過減少外部的測試電位器對單片機數模接口的脈沖來實現的。

通過測試發現，當電位器的輸出電壓小于等于5 V時，設備對數模轉換器有16次的累加，其中最大的變換數為8，而誤差控制在0.04%以內，但是在單片機內置的數模轉換器為10時，數據小于等于0.12%[8]，而AD的最大變化數為20。

4 結束語

本文對傳統采煤機變頻器在運行過程中的運行環境和發生意外時的報警系統進行了一系列的分析，明確了需要改進后的采煤機變頻安全預警系統應該有以下幾個功能：數據的收集、遠程的監控、實時通訊等。同時也要對溫度、振動等一系列物理數據也要進行記錄。除此之外，該系統也要包含模塊化設計的要求，使用RS-485達到現場設備采集傳送的要求后，使用前端布置的方法達到通訊電纜的簡便化。同時，在不同的環境下，不同類型的數據傳輸也要達到處理標準，若環境艱苦的時候，可以選用容量大、處理速度快、集成度高的STC15W4K56S4當做下位機的指揮中心來進行下位機系統的實施。隨后，使用MODBUS等系統來檢查設備的通訊功能、AD轉換功能，結果發現，當礦井下面環境惡劣、工作步驟繁雜時采煤機的變頻安全預警系統的作用不能使用時，如果通過前端溫度、振動等信號的數據來收集，并且使用RW-485的設備來進行運輸，發現它有穩定性強、運輸速度快等優點。