采煤機智能化工作面的自動監控系統設計

程偉

摘? 要：為實現無人工作面自動化發展，提高采煤機自動化水平，滿足數據實時采集、遠程監控需求，本文設計一款功能完善、實用性強的采煤機智能化工作面的自動監控系統。首先，設計系統硬件總體方案。其次，分別設計采煤機基本控制功能、主從控制器的通訊、存儲模塊、采煤機控制系統軟件等模塊，實現系統詳細設計。該系統具有工作面自動化水平高、數據交互及時、數據存儲安全等特點，符合預期設計標準和要求。希望通過這次研究，為相關人員提供有效的借鑒和參考。

關鍵詞：采煤機；智能化工作面；自動監控系統

在進行工作面生產期間，采煤機作為一種核心設備，其自動化水平高低，直接影響了煤礦井下工作面自動化開采質量[1]。目前，國內自動化工作面相關技術方面已經進行了大量的研究工作，但是，采煤機電控系統未結合工作面自動化需求進行針對性地設計，不利于數據的實時采集和相關參數的靈活配置，同時，還影響了后期設備遠程監控操作[2]。采煤機智能化工作面的自動監控系統設計和應用可以有效地解決以上問題，通過設計和應用該系統，不僅可以實現無人工作面技術的創新發展，還能最大限度地提高采煤機智能化控制水平，促使采煤機安全、穩定地運行。所以，強化對采煤機智能化工作面的自動監控系統設計顯得尤為重要。

1、系統總體方案設計

為保證系統功能實現效果，本文綜合運用采煤機控制算法、智能算法，提高程序執行的穩定性和可靠性[3]。在本文系統中，運用數字信號處理器（DigitalSignalProcessor，DSP）架構，保證系統設計質量，從而實現對實時任務的有效調度，提高系統實時監測能力。整個系統硬件方案如圖1所示，從圖1中可以看出，主DSP2812為用戶提供輸入輸出、通信協議處理等服務體驗，從而實現對模擬量信息、數字量信息的全面化采集，同時，還能保證觸摸屏通信質量。在遠程監控功能中，利用控制器局域網總線（ControllerAreaNetwork，CAN），向上位機發送和傳輸所需要的采煤機工況信息，同時，利用上位機所下發的控制命令，遠程化控制采煤機進行運行[4]。輔DSP28335可實時處理采煤機高級控制相關算法。此外，利用浮點運算單元，實現對采煤機牽引速度、截割高度等參數的智能化調整和控制，提高系統開發質量和效率。通過將串行外設接口（SerialPeripheralinterface，SPI）設置于主DSP與輔DSP之間，可以保證主輔DSP之間通信的穩定性。

2、系統詳細設計

2.1采煤機基本控制功能設計

2.1.1數字量接口設計

數字量接口包含數字量輸入接口和數字量輸出接口，通過設計數字量接口，可以智能化監測和控制采煤機及相關狀態點。在設計數字量接口模塊時，利用主DSP2812，采用光電隔離設計方式，對I/O接口進行科學設計，不僅可以實現對控制器的有效保護，還能提高驅動電壓值，保證采煤機自動化控制水平[5]。

2.1.2數字量采集接口設計

數字量信號采集模塊主要用于變頻器數據、傾角數據、編碼器數據等多種數據的全面化、智能化采集。在采集以上數據時，需采用下發固定格式，對所需傳感器信號進行實時采集，并利用RS485接口進行數據傳輸，數據傳輸速率設置為12Mbps，運用串行組合的方式，不斷地延長數據傳輸距離，使其距離延長至1220m。

在進行采煤機RS485接口設計期間，采用異步串口的方式，將鋰離子充電電池（SuperChargeionbattery，SCIB）模塊與RS485電平收發器芯片進行有效地連接。采煤機RS485接口原理如下：首先，將SCIB模塊的輸入引腳與芯片接收器輸出（ReceiverOutput，RO）相連接；將輸出引腳與芯片驅動器輸入（DriverInput，RI）相連接。其次，采用引腳高低電平轉換方式，對信號輸入、輸出流程進行實時控制。最后，利用采煤機控制器，對所需要的數字信號進行實時采集和整理[6]。

2.1.3模擬量采集接口設計

在設計模擬量采集接口時，選用模數轉換器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）模塊，ADC接口電壓范圍值為0～3.4V，利用ADC接口，可以實現對各個電壓信號的實時轉化，從而保證DSP電平管控水平[7]。

2.1.4通訊接口設計

通訊接口設計目的是幫助采煤機與顯示屏之間更好地進行數據互傳、共享和利用。本文利用RS232串口，智能化監測和控制采煤機本機狀態。此外，運用異步串口模塊，將其與RS485電平收發器芯片進行有效連接，從而保證通訊質量。

2.2主從控制器的通訊設計

在進行主從控制器通訊設計時，利用傳感器，可以對所需要的數據進行采集、預處理，并嚴格按照所設置好的數據格式，將相關數據發送、傳輸至輔DSP中，由輔DSP結合所接收到的數據，對相關高級算法進行有效地執行，并按照一定數據格式，將最終計算結果發送和傳輸至主DSP中，由主DSP智能化控制采煤機外設情況。主輔DSP之間，除了可以實時發送數據外，還能有效地接收數據。本文利用SPI接口，為主輔DSP之間打造一條全雙工通信之路，保證數據通訊質量和效率。

2.3存儲模塊設計

存儲模塊設計目的是安全存儲和管理采煤機實際工作期間所產生工況的數據，便于其他人員對歷史數據進行查看和調用，為后期煤層模型構建提供重要的數據支持。當煤層模型構建完畢后，相關人員結合該模型數據，可以對搖臂的調高軌跡進行精確化計算。在本文系統中，運用安全數字（SecureDigital，SD）卡，可以實現對采煤機工況數據、煤層模型數據的安全化存儲。

2.3.1 SD卡讀寫

SD卡具有存儲容量大、讀寫速度快、性能穩定、安全性高等優勢，SD卡支持SD、SPI兩種運行模式。在DSP芯片中，內置了SPI外設裝置，為保證本文系統存儲能力，本文優先選用SPI模式，設計和實現SD卡讀寫功能。

2.3.2文件系統移植

為實時交換和最大化利用采煤機控制器所存儲的數據，本文將FatFS文件移植于DSP中，從而保證數據交換功能實現效果。FatFS作為一種通用的文件配置表（FileAllocationTable，FAT）系統模塊，主要是針對小型嵌入式系統進行科學設計。該文件系統模塊具有較強的可配置能力，滿足嵌入式系統應用需求。FatFS與I/O層相互獨立，可直接移植到低成本微控制器中，使用方便。在進行文件系統移植期間，首先，需新建工程文件，向該工程文件添加相關源文件，并編寫相關底層操作程序和配置相關函數。其次，對SPI外設進行初始化處理，運用SPI方法，科學設置SPI始終頻率、工作模式。最后，新建DSP工程文件，并利用應用程序編程接口（ApplicationProgrammingInterface，API）函數，對SD卡進行讀寫。

2.4采煤機控制系統軟件設計

采煤機智能化工作面的自動監控系統軟件流程如下：利用主程序，初始化處理系統程序和硬件外設裝置，同時，采用DSP啟動方式，分析和判斷系統啟動功能是否可自動控制。在主DSP中，重點實現以下幾個程序功能：（1）采集信號發送中斷子程序。在該子程序中，運用周期函數，對傳感器數據的采集命令進行定時啟動或者中斷處理。（2）采集中斷子程序。運用該子程序，可以全面化采集和整理數字量的傳感器信息。（3）AD采集中斷子程序。運用該子程序，可以全面化采集和整理模擬量。當傳感器數據采集完畢后，可借助數據解析任務，實時解析處理所接收到的數據，從而獲得采煤機控制指令，結合所采集好的指令信息，智能化控制采煤機工作過程。接下來，重點設計數字量采集子程序、主輔DSP通訊子程序。

2.4.1數字量采集子程序

數字量采集流程如圖2所示，在發送和接收數據時，需采用硬件中斷的方式，運用周期函數，向串行通信接口（serialcommunicationinterface，SCI）模塊定時發送相關數據，啟動SCI模塊自動發送中斷子程序，并將周期函數的啟動時間間隔設置為60ms。當周期函數處于正常啟動狀態時，首先分析和判斷發送標志位是否大于5，如果大于5，需將發送標志位設置為1，利用傳感器，實時接收發送過來的數據命令，并對引腳電平啟動數據發送中斷流程進行實時控制，同時，對標志位進行自動加1，當標志位大于1小于5時，即可對相關傳感器數據采集命令進行實時發送。利用數據接收函數，分析和判斷是否接收完一組數據，如果是，自動進入到數據解析環節中。

2.4.2 DSP通訊子程序

為保證主輔DSP之間通訊質量，需采用SPI模式，將主DSP設置為主設備，運用軟中斷處理方式，對所需要的數據進行實時發送，并利用周期函數，將周期發送時間間隔設置為600ms，同時，運用硬件中斷的方式，對輔DSP數據進行實時接收。DSP的SPI通訊流程如圖3所示。

結束語

綜上所述，本文結合煤礦自動化工作面使用需求，完成采煤機智能化工作面的自動監控系統設計和實現。本次研究得到以下幾個結論：（1）本文以“電牽引采煤機”為案例，提出面向自動化工作面的采煤機自動監控系統總體方案，為保證自動化工作面發展水平產生了積極的影響。（2）做好系統控制平臺的構建。首先，分別設計系統輸入輸出、通訊、存儲等模塊接口。其次，為確保主輔控制器表現出強大的數據交互能力，完成基于SPI通訊方式的設計，并科學地設置了數據幀格式。再次，重點設計系統存儲模塊，達到安全存儲數據和移植系統文件的目的。最后，結合系統軟件流程，完成數字量采集子程序、DSP通訊子程序設計，保證采煤機控制系統構建水平。總之，本文系統具有工作面自動化水平高、數據交互及時、數據存儲安全等特點，滿足實際應用需求。

參考文獻

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[7]白寧。智能化采煤工作面采煤機自動監控系統研究[J].機械工程與自動化，2023（3）：209-211.

作者單位：國能億利能源有限責任公司黃玉川煤礦