基于FPGA技術(shù)的采煤機(jī)自供電采集管理探討

侯 鑫

（晉煤集團(tuán)寺河煤礦二號井，山西 晉城 048000）

0 引言

煤礦采煤機(jī)是集機(jī)械、電氣、液壓為一體的綜合采煤機(jī)械設(shè)備，設(shè)備所處工作面環(huán)境惡劣，經(jīng)常遭受煤塵、瓦斯、潮濕等影響，而且還會承受來自矸石、煤、機(jī)械等巨大載荷沖擊，采煤機(jī)很容易受這些外部條件影響而產(chǎn)生故障。若采煤機(jī)出現(xiàn)供電故障，必定影響工作面正常生產(chǎn)，最終致使整個礦井停產(chǎn)維修。為此，如何研發(fā)出所處井下工作面狹窄空間、環(huán)境惡劣的采煤機(jī)自供電采集管理系統(tǒng)，在多參量傳感器輔助作用下自動監(jiān)測采煤機(jī)供電參數(shù)[1]，確保綜采工作面正常生產(chǎn)，這是目前礦井工作面采煤機(jī)自供電采集管理遇見的難題。為了解決礦井面臨的困擾，論文提出基于FPGA技術(shù)的采煤機(jī)自供電采集管理方案，以期提高采煤機(jī)自供電穩(wěn)定性和安全性，保障采煤機(jī)安全、可靠運(yùn)行，從而提升礦井生產(chǎn)效益。

1 自供電采集管理技術(shù)

1.1 供電采集技術(shù)

礦井采煤機(jī)自供電采集管理，不僅要要考慮采煤機(jī)供電系統(tǒng)所處環(huán)境，還要確保供電系統(tǒng)輸出功率滿足整個采煤機(jī)及其附屬設(shè)備系統(tǒng)自身需求，這樣才能有效保障綜采工作面正常生產(chǎn)，提高采煤機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率。為了掌握采煤機(jī)供電參數(shù)監(jiān)測和能量轉(zhuǎn)換情況，采用供電采集器對工作中的采煤機(jī)進(jìn)行在線監(jiān)測、收集，該采集器主要由磁電、壓電、摩擦等電磁復(fù)合技術(shù)組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 供電采集器結(jié)構(gòu)

煤礦采煤機(jī)自供電采集與管理系統(tǒng)包括能量轉(zhuǎn)換器和電路管理兩個方面[2]，系統(tǒng)通過傳感器采集采煤機(jī)及其附屬設(shè)備工作時的機(jī)械能，機(jī)械能傳輸至系統(tǒng)中的復(fù)合振動能量轉(zhuǎn)換器中，在轉(zhuǎn)換器作用下將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在微弱電量供給下，供電采集器將收集到的能量傳輸至AD/DC轉(zhuǎn)換端，并由電源管理電路傳輸至下一個環(huán)節(jié)中進(jìn)行儲存、管理和分析，經(jīng)過控制電路作用下，由無線發(fā)射結(jié)構(gòu)將有用數(shù)據(jù)信息傳送至上位機(jī)。采煤機(jī)自供電采集系統(tǒng)包含多參量傳感器、管理電路、控制電路和數(shù)據(jù)采集以及信息發(fā)射端，采集裝置中的管理電路由轉(zhuǎn)換器、信息綜合處理器、輸入/輸出電壓管理、功率調(diào)控以及備用鋰電池和監(jiān)測裝置保護(hù)模塊。在FPGA控制芯片分析研判下實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)自供電狀況進(jìn)行控制和管理。

1.2 FPGA功能特性

FPGA主控芯片不僅同時擁有DSP和單片機(jī)高性能數(shù)據(jù)信號處理技術(shù)，而且還具有運(yùn)行速度快、管腳數(shù)量多、內(nèi)部程序并行運(yùn)行、內(nèi)部集成多種軟核等優(yōu)良特性[3]，F(xiàn)PGA技術(shù)綜合了單片機(jī)和DSP二者所有性能，能夠完成單片機(jī)和DSP功能[4]，F(xiàn)PGA主控芯片如圖2所示。

在采煤機(jī)自供電采集管理系統(tǒng)中采用FPGA主控芯片作為控制中心，控制電路負(fù)責(zé)收集信息并采集，通過無線通訊將信息數(shù)據(jù)傳送至FPGA主控芯片。信息傳送的方式分為兩種，一種是多通道同步采集傳輸，另外一種是多通道異步采集傳輸，但是針對條件復(fù)雜的采煤機(jī)自供電監(jiān)測和管理，需要考慮采集信號所受干擾程度、信息的及時性、功耗較低，易于控制等方面，故采用多通道異步采集傳輸，才能確保FPGA主控芯片采集的精度和控制的準(zhǔn)確率。

圖2 FPGA樣本圖

2 采集管理電路設(shè)計

采煤機(jī)基于FPGA采集管理技術(shù)組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖3所示，F(xiàn)PGA采集管理技術(shù)主要由四個模塊組成，分別為能源管理、信號采集、無線通訊和主控四個模塊。信號模塊是在溫度、振動等傳感器輔助下采集信息，并將信息發(fā)送至接口控制單元（FPGA主控芯片）；無線通訊模塊起傳輸作用，通過藍(lán)牙等無線接收、發(fā)送裝置實(shí)現(xiàn)信息交換；能源管理模塊對主控單元工作提供能量，并執(zhí)行主控單元采集和管理的命令，下面分別對基于FPGA技術(shù)的采煤機(jī)自供電采集管理系統(tǒng)能源管理電路、傳感電路和核心模塊電路設(shè)計探討。

圖3 FPGA采集技術(shù)組成系統(tǒng)

2.1 能源管理電路

基于FPGA技術(shù)的采煤機(jī)自供電采集管理系統(tǒng)中的能源管理電路工作基本原理如圖4所示，電路中主要分為四部分，分別為換能器、全波整流、儲能網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)電源。換能器作用是將交流與直流相互轉(zhuǎn)換，全波整流的作用是將換能器中輸出的電能進(jìn)行整流和穩(wěn)壓，開關(guān)電源主要是提供動力和控制啟停。儲能網(wǎng)絡(luò)電路中的C1、C2為儲能電容，S1、S2、S3、S4為模擬開關(guān)，由整流穩(wěn)壓后的電能儲存至該網(wǎng)絡(luò)中。若采煤機(jī)系統(tǒng)一些細(xì)小零件需要臨時供給能量，F(xiàn)PGA芯片控制電源開關(guān)閉合，儲能網(wǎng)絡(luò)中的模擬開關(guān)系統(tǒng)控制電路放電，電容中的電能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電壓直接輸出直流電供采煤機(jī)系統(tǒng)零部件，避免了采煤機(jī)零部件因缺電而停止工作，保護(hù)了整個采煤系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 能源管理電路工作原理

2.2 傳感電路

采煤機(jī)自供電采集管理系統(tǒng)的傳感電路設(shè)計為數(shù)字型，該數(shù)字型傳感器具有功耗小、可控性強(qiáng)的特點(diǎn)。采集振動信號選擇ADXL345數(shù)字型三軸加速度傳感器，該傳感器功耗超低，無工作時功耗只需0.25μW，監(jiān)測的振動加速度范圍可以在-16g～+16g，而采煤機(jī)在綜采期間最大的減速度才為10g，因此從量程來看滿足需求。ADXL345數(shù)字型加速度傳感器為核心控制模塊提供了兩種數(shù)字訪問接口，即SPI和I2C訪問接口[5]，為了節(jié)約布線和盡量減小采集管理系統(tǒng)體積，ADXL345數(shù)字型加速度傳感器與FPGA控制芯片的通訊采用12C訪問接口模式。ADXL345數(shù)字型加速度傳感器適用性較強(qiáng)，監(jiān)測加速度精度高，還可以用來監(jiān)測采煤機(jī)傾斜角度，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、模塊構(gòu)成詳見圖5所示。采煤機(jī)自供電采集管理系統(tǒng)的傳感電路采用ADXL345數(shù)字型加速度傳感器可以監(jiān)測采煤機(jī)振動、采掘所受載荷，有利于對采煤機(jī)工作期間供電電壓、電流控制提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)參數(shù)，方便FPGA控制芯片對采煤機(jī)自供電管理。

圖5 傳感電路內(nèi)部構(gòu)成

2.3 核心模塊電路

采煤機(jī)自供電采集管理系統(tǒng)核心模塊電路是整個電路設(shè)計的重點(diǎn)，核心模塊電路包括處理器、內(nèi)涵傳感器、硬件接口、外圍電路等。核心模塊自帶微帶Balun與2.4GHz天線，其作用是高速大量傳輸信息，內(nèi)涵傳感器與FPGA控制芯片與管腳相連，為芯片高速運(yùn)算提供參數(shù)，微帶Balun是平衡轉(zhuǎn)換器無線傳輸與單極天線傳輸造成的差異[6]。采集管理系統(tǒng)核心模塊電路集RF射頻收發(fā)器和系統(tǒng)可編程flash存儲器，為采集管理系統(tǒng)FPGA控制芯片支持8k byte RAM功能超運(yùn)算、邏輯判斷和命令執(zhí)行奠定基礎(chǔ)。可以這樣說，F(xiàn)PGA控制芯片是采煤機(jī)監(jiān)測、調(diào)控的大腦，而核心模塊電路則為FPGA芯片心臟。

3 現(xiàn)場運(yùn)行與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于FPGA控制技術(shù)的采煤機(jī)自供電采集管理效果，對現(xiàn)場運(yùn)行的采煤機(jī)供電系統(tǒng)進(jìn)行了測試研究，現(xiàn)場測試如圖6所示。在采煤機(jī)工作期間，監(jiān)測管理系統(tǒng)采用FPGA控制芯片進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別對采煤機(jī)以及附屬設(shè)施的加速度、機(jī)械振動、電壓、電流、轉(zhuǎn)速、功率消耗等參量進(jìn)行了監(jiān)測，通過傳感器采集到的信息傳輸給FPGA控制芯片，F(xiàn)PGA內(nèi)處理器對信息甄別、分析后，調(diào)控不正常的參數(shù)。測試計算上顯示磁電有效輸出電壓范圍為±7V，壓電輸出電壓為±40V，且均為交流電輸出，說明在FPGA控制下采煤機(jī)零部件所需的電壓為正常值。

根據(jù)煤礦使用反饋，采煤機(jī)自供電系統(tǒng)在FPGA芯片管理調(diào)控下，供電量穩(wěn)定，保障了采煤機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，系統(tǒng)故障率大為降低，有利于提高礦井工作面快速生產(chǎn)，改善了采煤機(jī)自供電監(jiān)測和調(diào)控短板，為礦井高效生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，這對其他礦井采煤機(jī)穩(wěn)定供電具有借鑒作用。

圖6 基于FPGA技術(shù)對采煤機(jī)自供電采集現(xiàn)場運(yùn)行與測試

4 結(jié) 論

1）采煤機(jī)自供電采集管理技術(shù)。自供電采集管理由采集器完成，而采集器的核心技術(shù)為FPGA控制芯片。FPGA控制芯片具有運(yùn)行速度快、功耗低、精度高等特點(diǎn)，并綜合DSP和單片機(jī)的高性能數(shù)據(jù)信號處理技術(shù)。

2）采煤機(jī)自供電采集管理系統(tǒng)包括能源管理、傳感和核心模塊電路。能源管理電路為FPGA控制芯片提供動力和穩(wěn)定電壓電流；傳感電路采集自供電多參量信號，并為芯片提供基礎(chǔ)參數(shù)；核心模塊電路分析多參量并作出判斷，調(diào)控好采煤機(jī)供電需求。

3）現(xiàn)場驗(yàn)證測試采煤機(jī)自供電采集管理效果。測試結(jié)果表明采煤機(jī)自供電參數(shù)供給穩(wěn)定，工作穩(wěn)定，故障率顯著降低，達(dá)到了管理的預(yù)期效果。