基于ARM9的采煤機主控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)——機械論文

    煤礦開采機械化、自動化是現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)的必然趨勢，目前我國煤礦生產(chǎn)的機械化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化進程也十分迅速。采煤機作為井下綜采的重要設(shè)備，其自動控制系統(tǒng)的研究一直是一個重要課題。針對目前采煤機自動控制系統(tǒng)存在的無法兼顧瓦斯涌出量、頂板壓力監(jiān)控不力等問題，設(shè)計了一種基于ARM的采煤機智能控制系統(tǒng)，通過對瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)控和頂板破碎狀態(tài)的分析，控制采煤機的速度，實現(xiàn)采煤機的智能控制。

一、系統(tǒng)實現(xiàn)的原理

1.1 瓦斯?jié)舛扰c采煤機速度的PID控制

    采煤機智能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的首要功能是將采煤機的速度與瓦斯涌出量進行協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)方式是運用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，但這個采煤機控制系統(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。對應(yīng)模糊控制的實現(xiàn)方式是對采集到的瓦斯涌入量經(jīng)過處理，將涌入量轉(zhuǎn)換成一個模擬量，根據(jù)算法將模擬量轉(zhuǎn)換成的一個特定的變化范圍，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

二、主控系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

    采煤機的控制系統(tǒng)主控器使用了ARM9與DSP的方式完成，輔以RTC實時時鐘，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瓦斯進行檢測的無線瓦斯傳感器模塊，對頂板狀態(tài)進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

    瓦斯涌出量的檢測是控制采煤機運動的必要條件，系統(tǒng)中對瓦斯的檢測采用無線的方式完成。采煤機工作的過程中，瓦斯會不斷涌出，同時隨著空氣流通瓦斯含量會稀釋，所以采煤機運動速度和瓦斯涌出量需要達到一個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^百分之一。

    瓦斯傳感器模塊的芯片選用STC12C5A60S2系列，通過無線模塊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，實時調(diào)整采煤機運行速度，達到平衡。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

    瓦斯傳感器模塊自身具有對當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前的瓦斯?jié)舛取ｏ@示模塊使用了LCD1602顯示器，當瓦斯?jié)舛冗_到百分之一以上時，系統(tǒng)報警并將信息顯示在顯示器上，顯示電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 顯示模塊電路圖

2.4 無線信號收發(fā)單元設(shè)計

    無線信號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模塊實物與硬件接口圖如圖4所示。

圖4 nRF905實物與接口圖

2.5 頂板壓力采集模塊設(shè)計

    采煤機工作過程中，頂板的壓力不斷變化，當壓力加大到頂板不能承受的時候，將發(fā)生塌陷事故，造成嚴重的后果。因此采煤機控制系統(tǒng)必須實時采集頂板壓力狀態(tài)，防止頂板塌陷。系統(tǒng)對頂板壓力的檢測選用了KGY60型頂板壓力傳感器，該傳感器檢測的壓力檢測范圍為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完成電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換功能。

圖5 頂板壓力檢測模塊電路圖

三、 結(jié)語

    采煤機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，本文介紹了采煤機主控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法，系統(tǒng)重點對開采過程中瓦斯?jié)舛扰c頂板狀態(tài)進行監(jiān)控，協(xié)調(diào)采煤機的開采速度，使得兩者達到平衡，克服安全隱患，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。文中重點對主控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)原理做了闡述，對采集模塊中的主要設(shè)計進行了較為詳細的介紹，為井下采煤機的智能控制提供借鑒。

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