基于DSP的礦井采煤機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

張曉嵐

（陽泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉045000）

1 概 況

采煤機是礦井綜采面重要設(shè)備。礦井工作面生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜惡劣，采煤機長期處于高溫、多粉塵環(huán)境下，加上操作人員的不正確操作，易發(fā)生各類故障，如電控單元故障、液控單元故障、機械系統(tǒng)故障等，導(dǎo)致采煤機設(shè)備無法正常運轉(zhuǎn)，嚴重影響了煤礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。

目前大多數(shù)采煤機監(jiān)測系統(tǒng)采用PLC控制器作為核心處理單元，可以實現(xiàn)一定的監(jiān)測功能，但對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時運算處理能力差，尤其面對海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，往往出現(xiàn)“小牛拉大車”問題。另外PLC控制器運行高級智能算法能力略顯不足，無法實現(xiàn)采煤機故障快速、精確診斷功能。為此，本文基于DSP控制器設(shè)計了一套采煤機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，利用DSP高速度、高精度的運算能力，可對采煤機進行快速有效數(shù)據(jù)監(jiān)測，結(jié)合智能控制算法，可迅速在線診斷識別各類故障，改善了統(tǒng)PLC控制器存在的問題，為采煤機的安全運行提供保障。

2 系統(tǒng)方案

采煤機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)方案如圖1所示。整個系統(tǒng)由工控機、服務(wù)器、LED大屏、DSP處理器、傳感檢測單元、開關(guān)量輸入單元、變頻調(diào)速單元、鍵盤輸入單元、液晶顯示單元、聲光報警單元、RS485總線通信單元、CAN總線通信單元等組成。

圖1 采煤機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)方案Fig.1 Shearer condition monitoring and fault diagnosis system scheme

DSP處理器是系統(tǒng)的核心設(shè)備，集數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、控制功能于一體，主要負責(zé)模擬量信號和開關(guān)量信號的采集處理、智能控制模型的運行以及對變頻調(diào)速單元的控制；遠程控制中心包括工控機、服務(wù)器、LED大屏，主要負責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)測，進行數(shù)據(jù)的實時曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲、故障的進一步分析等；鍵盤輸入單元用于傳感器閾值范圍、參數(shù)的設(shè)定；聲光報警裝置用于故障預(yù)警；液晶顯示單元負責(zé)現(xiàn)場實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)；變頻調(diào)速單元負責(zé)實現(xiàn)采煤機的牽引動作，同時可將自身監(jiān)測參數(shù)發(fā)送給DSP處理器；傳感檢測單元負責(zé)對采煤機自身的運行狀態(tài)、周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)測；開關(guān)量輸入單元負責(zé)采集電控系統(tǒng)的各種開關(guān)狀態(tài)，為故障分析提供數(shù)據(jù)支持；DSP處理器與遠程工控機之間通過CAN總線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，變頻調(diào)速單元與DSP處理器之間通過RS485通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

3 硬件方案設(shè)計與選型

3.1 DSP控制器選型

采用美國TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335芯片為核心處理器，該芯片為32位浮點芯片，擁有豐富的外設(shè)模塊，在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛，具備高速運算能力，可對采集到的數(shù)據(jù)進行各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時通過內(nèi)置的智能處理模型進行故障診斷。通過SCI通信接口設(shè)計RS-485通信電路實現(xiàn)與變頻器的數(shù)據(jù)傳輸，而遠程控制中心與DSP控制器之間則通過CAN總線通信方式傳輸，借助DSP控制器內(nèi)置的局部控制器（eCAN）即可實現(xiàn)。

3.2 傳感器檢測設(shè)備選型

傳感器檢測單元負責(zé)對采煤機整機的運行狀況及工作面周圍環(huán)境進行監(jiān)測，為故障診斷模型提供數(shù)據(jù)支持。本系統(tǒng)需要采用的傳感器包括溫度傳感器、電流互感器、振動傳感器、壓力傳感器、傾角傳感器，具體的傳感器型號及功能見表1。

表1 傳感器型號選擇及功能Table 1 Sensor type selection and function

3.3 RS 485通信電路設(shè)計

DSP控制器與變頻調(diào)速單元之間采用RS485通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，可將變頻器的工作參數(shù)如電壓、電流、頻率等數(shù)字信號信息反饋給DSP控制器，DSP與變頻調(diào)速單元之間RS485通信電路的接口電路如圖2所示。

圖2 RS485通信電路Fig.2 RS485 communication circuit

RS485通信電路采用了MAX485芯片，將該芯片的RO引腳與DSP控制器內(nèi)置串口SCIB模塊的SCIRXDB引腳連接，RE引腳與DE引腳連接GPIOB引腳，A和B引腳連接變頻器，VCC電壓為5 V，SCITXDB與SCIRXDB為DSP的SCIB發(fā)送引腳與接收引腳。

GPIOB是DSP控制收發(fā)引腳，當(dāng)GPIOB為低電平時，MAX485處于接收狀態(tài)，當(dāng)GPIOB為高電平時，MAX485處于發(fā)送狀態(tài)。

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

4.1 下位機主程序流程框圖設(shè)計

針對DSP控制器TMS320F28335，采用TI公司開發(fā)的專用軟件CCS3.3（Code Composer Studio）來進行程序開發(fā)、編寫和調(diào)試。在程序設(shè)計過程中，采用模塊化的設(shè)計理念，提高編程效率，同時利用程序調(diào)用的思想來進行程序執(zhí)行，提高程序的執(zhí)行效率。

整個下位機程序包括DSP處理器主執(zhí)行程序、傳感器模擬量采集檢測程序、開關(guān)量輸入程序、聲光報警程序、液晶顯示程序、鍵盤輸入程序、CAN總線通信程序、變頻調(diào)速控制程序等。系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程框圖Fig.3 Main program flow

4.2 采煤機故障診斷模塊程序設(shè)計

系統(tǒng)的故障診斷模塊工作流程如圖4所示。

圖4 故障診斷程序流程Fig.4 Fault diagnosis program flow

首先進行系統(tǒng)初始化，傳感器數(shù)據(jù)采集，接著DSP控制器進行數(shù)據(jù)處理，最后通過智能控制算法進行故障診斷。程序中，需要對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行濾波處理和傅里葉變換，提取需要的特征值。智能控制算法采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。DSP控制器故障診斷結(jié)果將通過CAN總線通信方式傳輸?shù)竭h程控制中心。

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)PLC型采煤機數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)存在的問題，提出了一種基于DSP控制器的采煤機故障診斷系統(tǒng)，借助DSP強大的數(shù)據(jù)運算和處理能力，系統(tǒng)可以快速對傳感器采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理、特征識別，并在線運行智能控制算法，及時有效地對采煤機發(fā)生的各種故障進行分類診斷，提高了采煤機的狀態(tài)監(jiān)測水平和故障應(yīng)對能力。