采煤机智能化工作面的自动监控系统设计

程伟

摘  要：为实现无人工作面自动化发展，提高采煤机自动化水平，满足数据实时采集、远程监控需求，本文设计一款功能完善、实用性强的采煤机智能化工作面的自动监控系统。首先，设计系统硬件总体方案。其次，分别设计采煤机基本控制功能、主从控制器的通讯、存储模块、采煤机控制系统软件等模块，实现系统详细设计。该系统具有工作面自动化水平高、数据交互及时、数据存储安全等特点，符合预期设计标准和要求。希望通过这次研究，为相关人员提供有效的借鉴和参考。

关键词：采煤机；智能化工作面；自动监控系统

在进行工作面生产期间，采煤机作为一种核心设备，其自动化水平高低，直接影响了煤矿井下工作面自动化开采质量[1]。目前，国内自动化工作面相关技术方面已经进行了大量的研究工作，但是，采煤机电控系统未结合工作面自动化需求进行针对性地设计，不利于数据的实时采集和相关参数的灵活配置，同时，还影响了后期设备远程监控操作[2]。采煤机智能化工作面的自动监控系统设计和应用可以有效地解决以上问题，通过设计和应用该系统，不仅可以实现无人工作面技术的创新发展，还能最大限度地提高采煤机智能化控制水平，促使采煤机安全、稳定地运行。所以，强化对采煤机智能化工作面的自动监控系统设计显得尤为重要。

1、系统总体方案设计

为保证系统功能实现效果，本文综合运用采煤机控制算法、智能算法，提高程序执行的稳定性和可靠性[3]。在本文系统中，运用数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）架构，保证系统设计质量，从而实现对实时任务的有效调度，提高系统实时监测能力。整个系统硬件方案如图1所示，从图1中可以看出，主DSP2812为用户提供输入输出、通信协议处理等服务体验，从而实现对模拟量信息、数字量信息的全面化采集，同时，还能保证触摸屏通信质量。在远程监控功能中，利用控制器局域网总线（ControllerAreaNetwork，CAN），向上位机发送和传输所需要的采煤机工况信息，同时，利用上位机所下发的控制命令，远程化控制采煤机进行运行[4]。辅DSP28335可实时处理采煤机高级控制相关算法。此外，利用浮点运算单元，实现对采煤机牵引速度、截割高度等参数的智能化调整和控制，提高系统开发质量和效率。通过将串行外设接口（SerialPeripheralinterface，SPI）设置于主DSP与辅DSP之间，可以保证主辅DSP之间通信的稳定性。

2、系统详细设计

2.1采煤机基本控制功能设计

2.1.1数字量接口设计

数字量接口包含数字量输入接口和数字量输出接口，通过设计数字量接口，可以智能化监测和控制采煤机及相关状态点。在设计数字量接口模块时，利用主DSP2812，采用光电隔离设计方式，对I/O接口进行科学设计，不仅可以实现对控制器的有效保护，还能提高驱动电压值，保证采煤机自动化控制水平[5]。

2.1.2数字量采集接口设计

数字量信号采集模块主要用于变频器数据、倾角数据、编码器数据等多种数据的全面化、智能化采集。在采集以上数据时，需采用下发固定格式，对所需传感器信号进行实时采集，并利用RS485接口进行数据传输，数据传输速率设置为12Mbps，运用串行组合的方式，不断地延长数据传输距离，使其距离延长至1220m。

在进行采煤机RS485接口设计期间，采用异步串口的方式，将锂离子充电电池（SuperChargeionbattery，SCIB）模块与RS485电平收发器芯片进行有效地连接。采煤机RS485接口原理如下：首先，将SCIB模块的输入引脚与芯片接收器输出（ReceiverOutput，RO）相连接；将输出引脚与芯片驱动器输入（DriverInput，RI）相连接。其次，采用引脚高低电平转换方式，对信号输入、输出流程进行实时控制。最后，利用采煤机控制器，对所需要的数字信号进行实时采集和整理[6]。

2.1.3模拟量采集接口设计

在设计模拟量采集接口时，选用模数转换器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）模块，ADC接口电压范围值为0～3.4V，利用ADC接口，可以实现对各个电压信號的实时转化，从而保证DSP电平管控水平[7]。

2.1.4通讯接口设计

通讯接口设计目的是帮助采煤机与显示屏之间更好地进行数据互传、共享和利用。本文利用RS232串口，智能化监测和控制采煤机本机状态。此外，运用异步串口模块，将其与RS485电平收发器芯片进行有效连接，从而保证通讯质量。

2.2主从控制器的通讯设计

在进行主从控制器通讯设计时，利用传感器，可以对所需要的数据进行采集、预处理，并严格按照所设置好的数据格式，将相关数据发送、传输至辅DSP中，由辅DSP结合所接收到的数据，对相关高级算法进行有效地执行，并按照一定数据格式，将最终计算结果发送和传输至主DSP中，由主DSP智能化控制采煤机外设情况。主辅DSP之间，除了可以实时发送数据外，还能有效地接收数据。本文利用SPI接口，为主辅DSP之间打造一条全双工通信之路，保证数据通讯质量和效率。

2.3存储模块设计

存储模块设计目的是安全存储和管理采煤机实际工作期间所产生工况的数据，便于其他人员对历史数据进行查看和调用，为后期煤层模型构建提供重要的数据支持。当煤层模型构建完毕后，相关人员结合该模型数据，可以对摇臂的调高轨迹进行精确化计算。在本文系统中，运用安全数字（SecureDigital，SD）卡，可以实现对采煤机工况数据、煤层模型数据的安全化存储。

2.3.1 SD卡读写

SD卡具有存储容量大、读写速度快、性能稳定、安全性高等优势，SD卡支持SD、SPI两种运行模式。在DSP芯片中，内置了SPI外设装置，为保证本文系统存储能力，本文优先选用SPI模式，设计和实现SD卡读写功能。

2.3.2文件系统移植

为实时交换和最大化利用采煤机控制器所存储的数据，本文将FatFS文件移植于DSP中，从而保证数据交换功能实现效果。FatFS作为一种通用的文件配置表（FileAllocationTable，FAT）系统模块，主要是针对小型嵌入式系统进行科学设计。该文件系统模块具有较强的可配置能力，满足嵌入式系统应用需求。FatFS与I/O层相互独立，可直接移植到低成本微控制器中，使用方便。在进行文件系统移植期间，首先，需新建工程文件，向该工程文件添加相关源文件，并编写相关底层操作程序和配置相关函数。其次，对SPI外设进行初始化处理，运用SPI方法，科学设置SPI始终频率、工作模式。最后，新建DSP工程文件，并利用应用程序编程接口（ApplicationProgrammingInterface，API）函数，对SD卡进行读写。

2.4采煤机控制系统软件设计

采煤机智能化工作面的自动监控系统软件流程如下：利用主程序，初始化处理系统程序和硬件外设装置，同时，采用DSP启动方式，分析和判断系统启动功能是否可自动控制。在主DSP中，重点实现以下几个程序功能：（1）采集信号发送中断子程序。在该子程序中，运用周期函数，对传感器数据的采集命令进行定时启动或者中断处理。（2）采集中断子程序。运用该子程序，可以全面化采集和整理数字量的传感器信息。（3）AD采集中断子程序。运用该子程序，可以全面化采集和整理模拟量。当传感器数据采集完毕后，可借助数据解析任务，实时解析处理所接收到的数据，从而获得采煤机控制指令，结合所采集好的指令信息，智能化控制采煤机工作过程。接下来，重点设计数字量采集子程序、主辅DSP通讯子程序。

2.4.1数字量采集子程序

数字量采集流程如图2所示，在发送和接收数据时，需采用硬件中断的方式，运用周期函数，向串行通信接口（serialcommunicationinterface，SCI）模块定时发送相关数据，启动SCI模块自动发送中断子程序，并将周期函数的启动时间间隔设置为60ms。当周期函数处于正常启动状态时，首先分析和判断发送标志位是否大于5，如果大于5，需将发送标志位设置为1，利用传感器，实时接收发送过来的数据命令，并对引脚电平启动数据发送中断流程进行实时控制，同时，对标志位进行自动加1，当标志位大于1小于5时，即可对相关传感器数据采集命令进行实时发送。利用数据接收函数，分析和判断是否接收完一组数据，如果是，自动进入到数据解析环节中。

2.4.2 DSP通讯子程序

为保证主辅DSP之间通讯质量，需采用SPI模式，将主DSP设置为主设备，运用软中断处理方式，对所需要的數据进行实时发送，并利用周期函数，将周期发送时间间隔设置为600ms，同时，运用硬件中断的方式，对辅DSP数据进行实时接收。DSP的SPI通讯流程如图3所示。

结束语

综上所述，本文结合煤矿自动化工作面使用需求，完成采煤机智能化工作面的自动监控系统设计和实现。本次研究得到以下几个结论：（1）本文以“电牵引采煤机”为案例，提出面向自动化工作面的采煤机自动监控系统总体方案，为保证自动化工作面发展水平产生了积极的影响。（2）做好系统控制平台的构建。首先，分别设计系统输入输出、通讯、存储等模块接口。其次，为确保主辅控制器表现出强大的数据交互能力，完成基于SPI通讯方式的设计，并科学地设置了数据帧格式。再次，重点设计系统存储模块，达到安全存储数据和移植系统文件的目的。最后，结合系统软件流程，完成数字量采集子程序、DSP通讯子程序设计，保证采煤机控制系统构建水平。总之，本文系统具有工作面自动化水平高、数据交互及时、数据存储安全等特点，满足实际应用需求。

参考文献

[1]李春华，孙晓，宁权。智能化采煤工作面采煤机自动监控系统的设计与应用[J].山东煤炭科技，2023，41（10）：87-90.

[2]郝鑫波。智能化工作面采煤机自动监控系统的分析与应用[J].机械管理开发，2022，37（5）：208-209，216.

[3]高江波。智能综采工作面采煤机割煤情况自动监控系统设计分析[J].机械管理开发，2022，37（1）：229-231.

[4]颜燚。自动化工作面的电牵引采煤机系统设计[J].机械管理开发，2023，38（1）：215-217.

[5]刘凤伟，任文永，李继忠等。正利煤矿综采工作面全系统智能化控制的实现[J].煤矿安全，2019，50（9）：116-119.

[6]弓华忠。智能化采煤工作面采煤机自动监控系统设计[J].江西煤炭科技，2024（1）：200-202.

[7]白宁。智能化采煤工作面采煤机自动监控系统研究[J].机械工程与自动化，2023（3）：209-211.

作者单位：国能亿利能源有限责任公司黄玉川煤矿