基于ARM9的采煤機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——機(jī)械論文

    煤礦開(kāi)采機(jī)械化、自動(dòng)化是現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)的必然趨勢(shì)，目前我國(guó)煤礦生產(chǎn)的機(jī)械化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化進(jìn)程也十分迅速。采煤機(jī)作為井下綜采的重要設(shè)備，其自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究一直是一個(gè)重要課題。針對(duì)目前采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)存在的無(wú)法兼顧瓦斯涌出量、頂板壓力監(jiān)控不力等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于ARM的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)控和頂板破碎狀態(tài)的分析，控制采煤機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能控制。

一、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理

1.1 瓦斯?jié)舛扰c采煤機(jī)速度的PID控制

    采煤機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的首要功能是將采煤機(jī)的速度與瓦斯涌出量進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)方式是運(yùn)用PID算法與模糊控制相結(jié)合的方法，由于使用單純的PID控制穩(wěn)定性雖好，但這個(gè)采煤機(jī)控制系統(tǒng)并非線性系統(tǒng)，因此難以形成數(shù)學(xué)模型，所以可以采用模糊控制的方式加以彌補(bǔ)。對(duì)應(yīng)模糊控制的實(shí)現(xiàn)方式是對(duì)采集到的瓦斯涌入量經(jīng)過(guò)處理，將涌入量轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬量，根據(jù)算法將模擬量轉(zhuǎn)換成的一個(gè)特定的變化范圍，根據(jù)采集到的瓦斯?jié)舛仁欠裨谶@一變化范圍內(nèi)完成控制。

1.2 頂板狀態(tài)監(jiān)測(cè)

二、主控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    采煤機(jī)的控制系統(tǒng)主控器使用了ARM9與DSP的方式完成，輔以RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，加密模塊、顯示模塊、速度控制模塊等部分。數(shù)據(jù)采集部分主要包括對(duì)瓦斯進(jìn)行檢測(cè)的無(wú)線瓦斯傳感器模塊，對(duì)頂板狀態(tài)進(jìn)行采集的圖像采集傳感器及壓力傳感器構(gòu)成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 瓦斯傳感器模塊設(shè)計(jì)

    瓦斯涌出量的檢測(cè)是控制采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)的必要條件，系統(tǒng)中對(duì)瓦斯的檢測(cè)采用無(wú)線的方式完成。采煤機(jī)工作的過(guò)程中，瓦斯會(huì)不斷涌出，同時(shí)隨著空氣流通瓦斯含量會(huì)稀釋，所以采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)速度和瓦斯涌出量需要達(dá)到一個(gè)平衡值才能保證生產(chǎn)的安全，一般井下安全要求瓦斯?jié)舛炔荒艹^(guò)百分之一。

    瓦斯傳感器模塊的芯片選用STC12C5A60S2系列，通過(guò)無(wú)線模塊nRF905可以將采集到的瓦斯?jié)舛劝l(fā)送到主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)根據(jù)模糊控制原理，實(shí)時(shí)調(diào)整采煤機(jī)運(yùn)行速度，達(dá)到平衡。瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 

圖2 瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.3 瓦斯傳感器顯示模塊設(shè)計(jì)

    瓦斯傳感器模塊自身具有對(duì)當(dāng)前采集到的瓦斯聚集量的顯示功能，以便讓井下工作人員清楚掌握當(dāng)前的瓦斯?jié)舛?。顯示模塊使用了LCD1602顯示器，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到百分之一以上時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并將信息顯示在顯示器上，顯示電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 顯示模塊電路圖

2.4 無(wú)線信號(hào)收發(fā)單元設(shè)計(jì)

    無(wú)線信號(hào)傳輸模塊中核心是射頻收發(fā)模塊nRF905，該模塊工作電壓是1.9~3.6V，較為寬松，內(nèi)部集成了晶體振蕩器、發(fā)大器、頻率合成器及電源燈模塊。nRF905模塊實(shí)物與硬件接口圖如圖4所示。

圖4 nRF905實(shí)物與接口圖

2.5 頂板壓力采集模塊設(shè)計(jì)

    采煤機(jī)工作過(guò)程中，頂板的壓力不斷變化，當(dāng)壓力加大到頂板不能承受的時(shí)候，將發(fā)生塌陷事故，造成嚴(yán)重的后果。因此采煤機(jī)控制系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)采集頂板壓力狀態(tài)，防止頂板塌陷。系統(tǒng)對(duì)頂板壓力的檢測(cè)選用了KGY60型頂板壓力傳感器，該傳感器檢測(cè)的壓力檢測(cè)范圍為0-60MPa之間，使用本安DC12～18V電源供電。頂板壓力采集模塊的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。電路中P320是壓力傳感器端口，采用了12V電源供電。電阻R320完成電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能。

圖5 頂板壓力檢測(cè)模塊電路圖

三、 結(jié)語(yǔ)

    采煤機(jī)作為井下重要的綜采設(shè)備，其工作的穩(wěn)定與安全性極為重要，本文介紹了采煤機(jī)主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，系統(tǒng)重點(diǎn)對(duì)開(kāi)采過(guò)程中瓦斯?jié)舛扰c頂板狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，協(xié)調(diào)采煤機(jī)的開(kāi)采速度，使得兩者達(dá)到平衡，克服安全隱患，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。文中重點(diǎn)對(duì)主控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)原理做了闡述，對(duì)采集模塊中的主要設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，為井下采煤機(jī)的智能控制提供借鑒。

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