全斷面掘進機運行狀態智能監測系統的設計研究

李亮亮

（霍州煤電集團山西汾河焦煤股份有限公司機電部，山西 洪洞 041600）

引言

隨著地下掘進技術水平的提高，全斷面掘進機在施工中發揮著越來越重要的作用。全斷面掘進機如同一個進行流水化作業的自動化工廠，是集多種控制技術為一體的超大型綜合設備[1]。

近年來，國外掘進機發展較快，其設備具備配套的故障診斷和自動化能力。而目前，國內的全斷面掘進機絕大多數還是采用事后周期性檢修和計劃維修的方案。周期檢修是對設備的定期檢查，缺點是故障發生的時間間隔要大于停機檢修的時間間隔，這樣就常常會造成無法預估的停機。事后維修是被迫停機檢修，在發生故障之后，這種傳統維修方式造成的損失較大，計劃維修雖然效率高，但也會造成不必要的浪費。以軟件為核心的虛擬技術為全斷面掘進機運行狀態智能監測系統的研究提供了理想的平臺[2]。如在對全斷面掘進機研發較早的德國，成功研發了控制切面成型和方向識別系統，并且在幾大全斷面掘進機上成功試用[3]。把人工智能應用到設備的狀態智能監測中，把技術創新作為關鍵，把知識信息作為系統的核心，這已成為設備狀態智能監測的主要發展趨勢。

1 系統總體方案設計

全段面掘進機的結構和液壓控制系統較為復雜，全斷面掘進機之所以在控制系統設置了較多的傳感器，是為了保護關鍵步驟并對其運行狀況進行檢測，使其動作機構能夠正常工作，執行特定的控制功能。一臺全斷面掘進機，其完整的電氣控制系統可概括為四個部分，分別為安全性能回路保護、電氣主回路驅動、主要控制回路操縱、傳感系統回路監測。

伴隨著科學技術的快速發展，尤其是電子和計算機科學技術的迅速普及和發展，CAN 總線在離散性遠程控制領域被廣泛地應用，其傳輸距離達到11 km時，速率仍可以到達60 kbit/s。如今，CAN 級之所以具有更高的可信賴性和判斷系統錯誤的能力，是因為設備的通信模式和信號接受方式被提高到更高標準。CAN 則被更多地運用在高溫高壓、環境惡劣、電輻射極強、振動極大的工業設備環境中。獨特的幀數系統運行方式是CAN 總線特有的，它的傳輸數據信號方式極為簡單，可以實現多方位、遠距離遠程數據信號的傳輸和操縱。其執行輸出操作和檢驗手段極大降低了總線的出錯率，總體上基本實現了一定的總線分布式實時控制方式。每個操控和收集分支都按自己的系統方式運行，各自獨立。隨后其各部分再通過CAN 總線進行信號傳遞和通信，如圖1 所示，各種型號的傳感器、信號執行輸出控制器、電氣設備驅動裝置、各種信號交換傳遞芯片、LPC 處理器等。在CAN 總線中，每個節點既是獨立的個體，也是可以相互通信交流的整體。而采用本身獨立的采集節點則是振動信息采集，需要的信息數據采集完成后進入SD 卡，通過CAN 總線監察振動信息數據的采集狀態以及存儲實時情況。

圖1 CAN 總線系統監測總體結構圖

2 硬件方案設計

作為整個全斷面掘進機電子操縱系統核心的監測控制系統，主要負責收集分析處理機器設備的實時運行狀態等方面的信息數據，有效操縱機器設備的正常運行。數據信息收集板塊主要由輸出入電路I/O、各微型處理器、傳感器、集成放大電路、轉換器A/D、采樣保持電路、開關組成。操縱板塊則是主要由微型處理器、執行控制輸出元件、輸出入電路I/O、晶閘管放大電路、各個開關于一體的操縱板面組合形成的多種操控器。LPC1768 為硬件的主控芯片，獨立時鐘源有三個，分別為RTC 振蕩器、主振蕩器和RC振蕩器，常用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應用；聲光報警電路采樣CMOS 的光電傳感器，瓦斯超標會自動報警；光耦隔離電路采樣的是TLP521芯片，起到耦合傳輸信號和隔離作用；芯片74LS244作為數據的鎖存器和LG9110 電機驅動芯片加強信號驅動能力。同樣信息數據也需要連接匯入總系統，進行多方數據的信息傳送與交流。其功能的出現將對整個系統控制平臺產生極大的影響，信息傳遞軟件不但要實現信息交流能力，還要保障安全和可靠性。圖2 是監測控制系統的硬件結構示意圖，其采用模塊化方法進行設計。

圖2 監控系統硬件示意圖

3 軟件方案設計

我國在了解國外維修監測控制的基礎上，從中認識到運行狀態的研究與故障預防診斷給設備機器運行帶來極大的改進。全斷面掘進機進行運轉的系統核心是監測控制主板，設備機器的實時運轉數據由它收集和處理，同樣也可準確地監測運行情況。系統運轉中的軟件和硬件都發揮著重要的作用，本次開發的軟件程序主要選擇Keil 編譯器，其可以在WindowsXP 操作系統進行運行，使用C 語言進行代碼編程。在系統運行上，一個準確的軟件程序是整個機器的正常運行和執行輸出的關鍵，所以設計上常采用由總到分、由上到下的模式，其采用模塊化方法進行設計。初始數據采集，數據輸入通道4～6 個，數據轉換時，要初始化P0 口變為GPIO 方式，設P0 口作為輸入，當其端口的電平發生改變時，即可判定工作。轉換模擬量數據時，輸入的模擬通道共7～9 個，先對AD 模塊實現初始化，設置每次采樣的數據信息帶點，時間以及信息的存儲方式，同樣要采用除了最大和最小值的平均值方式進行濾波，其流程如圖3-1 所示。在A/D 轉換后，每個收集數據通道會根據電平的改變計錄數據，把I、U、T、油量、壓強等信號一一進行收集分析，存入FLASH 中，其流程如圖3-2 所示。同樣輸出控制程序也極為重要，如切割機的開停、電鉆機的開停、信號報警控制、整個系統在運行前的自我保護和故障報警裝置程序，上述程序都大同小異。程序執行流程如圖3 所示。

圖3 軟件A/D 轉換程序流程圖

4 結語

本文通過對LPC 單片機內部存儲器的詳細了解，主動對處理器的儲存器進行配置，在整個系統程序執行的前期，首先明確CAN 總線時鐘頻率，設定周期中斷以及定時器外部地址。初始啟動工作后，再進行各分程序系統流程的運行和數據分析，加入A/D 采樣程序轉換，最后執行輸出。此系統同樣引進實時監測控制的報警程序等，從而實現了全斷面掘進機運行狀態的智能監測。