基于FPGA技术的采煤机自供电采集管理探讨

侯 鑫

（晋煤集团寺河煤矿二号井，山西 晋城 048000）

0 引言

煤矿采煤机是集机械、电气、液压为一体的综合采煤机械设备，设备所处工作面环境恶劣，经常遭受煤尘、瓦斯、潮湿等影响，而且还会承受来自矸石、煤、机械等巨大载荷冲击，采煤机很容易受这些外部条件影响而产生故障。若采煤机出现供电故障，必定影响工作面正常生产，最终致使整个矿井停产维修。为此，如何研发出所处井下工作面狭窄空间、环境恶劣的采煤机自供电采集管理系统，在多参量传感器辅助作用下自动监测采煤机供电参数[1]，确保综采工作面正常生产，这是目前矿井工作面采煤机自供电采集管理遇见的难题。为了解决矿井面临的困扰，论文提出基于FPGA技术的采煤机自供电采集管理方案，以期提高采煤机自供电稳定性和安全性，保障采煤机安全、可靠运行，从而提升矿井生产效益。

1 自供电采集管理技术

1.1 供电采集技术

矿井采煤机自供电采集管理，不仅要要考虑采煤机供电系统所处环境，还要确保供电系统输出功率满足整个采煤机及其附属设备系统自身需求，这样才能有效保障综采工作面正常生产，提高采煤机系统运行效率。为了掌握采煤机供电参数监测和能量转换情况，采用供电采集器对工作中的采煤机进行在线监测、收集，该采集器主要由磁电、压电、摩擦等电磁复合技术组成，结构示意如图1所示。

图1 供电采集器结构

煤矿采煤机自供电采集与管理系统包括能量转换器和电路管理两个方面[2]，系统通过传感器采集采煤机及其附属设备工作时的机械能，机械能传输至系统中的复合振动能量转换器中，在转换器作用下将机械能转换为电能。在微弱电量供给下，供电采集器将收集到的能量传输至AD/DC转换端，并由电源管理电路传输至下一个环节中进行储存、管理和分析，经过控制电路作用下，由无线发射结构将有用数据信息传送至上位机。采煤机自供电采集系统包含多参量传感器、管理电路、控制电路和数据采集以及信息发射端，采集装置中的管理电路由转换器、信息综合处理器、输入/输出电压管理、功率调控以及备用锂电池和监测装置保护模块。在FPGA控制芯片分析研判下实现对采煤机自供电状况进行控制和管理。

1.2 FPGA功能特性

FPGA主控芯片不仅同时拥有DSP和单片机高性能数据信号处理技术，而且还具有运行速度快、管脚数量多、内部程序并行运行、内部集成多种软核等优良特性[3]，FPGA技术综合了单片机和DSP二者所有性能，能够完成单片机和DSP功能[4]，FPGA主控芯片如图2所示。

在采煤机自供电采集管理系统中采用FPGA主控芯片作为控制中心，控制电路负责收集信息并采集，通过无线通讯将信息数据传送至FPGA主控芯片。信息传送的方式分为两种，一种是多通道同步采集传输，另外一种是多通道异步采集传输，但是针对条件复杂的采煤机自供电监测和管理，需要考虑采集信号所受干扰程度、信息的及时性、功耗较低，易于控制等方面，故采用多通道异步采集传输，才能确保FPGA主控芯片采集的精度和控制的准确率。

图2 FPGA样本图

2 采集管理电路设计

采煤机基于FPGA采集管理技术组成的系统结构详见图3所示，FPGA采集管理技术主要由四个模块组成，分别为能源管理、信号采集、无线通讯和主控四个模块。信号模块是在温度、振动等传感器辅助下采集信息，并将信息发送至接口控制单元（FPGA主控芯片）；无线通讯模块起传输作用，通过蓝牙等无线接收、发送装置实现信息交换；能源管理模块对主控单元工作提供能量，并执行主控单元采集和管理的命令，下面分别对基于FPGA技术的采煤机自供电采集管理系统能源管理电路、传感电路和核心模块电路设计探讨。

图3 FPGA采集技术组成系统

2.1 能源管理电路

基于FPGA技术的采煤机自供电采集管理系统中的能源管理电路工作基本原理如图4所示，电路中主要分为四部分，分别为换能器、全波整流、储能网络和开关电源。换能器作用是将交流与直流相互转换，全波整流的作用是将换能器中输出的电能进行整流和稳压，开关电源主要是提供动力和控制启停。储能网络电路中的C1、C2为储能电容，S1、S2、S3、S4为模拟开关，由整流稳压后的电能储存至该网络中。若采煤机系统一些细小零件需要临时供给能量，FPGA芯片控制电源开关闭合，储能网络中的模拟开关系统控制电路放电，电容中的电能转化为稳定的电压直接输出直流电供采煤机系统零部件，避免了采煤机零部件因缺电而停止工作，保护了整个采煤系统稳定运行。

图4 能源管理电路工作原理

2.2 传感电路

采煤机自供电采集管理系统的传感电路设计为数字型，该数字型传感器具有功耗小、可控性强的特点。采集振动信号选择ADXL345数字型三轴加速度传感器，该传感器功耗超低，无工作时功耗只需0.25μW，监测的振动加速度范围可以在-16g～+16g，而采煤机在综采期间最大的减速度才为10g，因此从量程来看满足需求。ADXL345数字型加速度传感器为核心控制模块提供了两种数字访问接口，即SPI和I2C访问接口[5]，为了节约布线和尽量减小采集管理系统体积，ADXL345数字型加速度传感器与FPGA控制芯片的通讯采用12C访问接口模式。ADXL345数字型加速度传感器适用性较强，监测加速度精度高，还可以用来监测采煤机倾斜角度，其内部结构、模块构成详见图5所示。采煤机自供电采集管理系统的传感电路采用ADXL345数字型加速度传感器可以监测采煤机振动、采掘所受载荷，有利于对采煤机工作期间供电电压、电流控制提供准确的基础参数，方便FPGA控制芯片对采煤机自供电管理。

图5 传感电路内部构成

2.3 核心模块电路

采煤机自供电采集管理系统核心模块电路是整个电路设计的重点，核心模块电路包括处理器、内涵传感器、硬件接口、外围电路等。核心模块自带微带Balun与2.4GHz天线，其作用是高速大量传输信息，内涵传感器与FPGA控制芯片与管脚相连，为芯片高速运算提供参数，微带Balun是平衡转换器无线传输与单极天线传输造成的差异[6]。采集管理系统核心模块电路集RF射频收发器和系统可编程flash存储器，为采集管理系统FPGA控制芯片支持8k byte RAM功能超运算、逻辑判断和命令执行奠定基础。可以这样说，FPGA控制芯片是采煤机监测、调控的大脑，而核心模块电路则为FPGA芯片心脏。

3 现场运行与实验

为了验证基于FPGA控制技术的采煤机自供电采集管理效果，对现场运行的采煤机供电系统进行了测试研究，现场测试如图6所示。在采煤机工作期间，监测管理系统采用FPGA控制芯片进行调节，分别对采煤机以及附属设施的加速度、机械振动、电压、电流、转速、功率消耗等参量进行了监测，通过传感器采集到的信息传输给FPGA控制芯片，FPGA内处理器对信息甄别、分析后，调控不正常的参数。测试计算上显示磁电有效输出电压范围为±7V，压电输出电压为±40V，且均为交流电输出，说明在FPGA控制下采煤机零部件所需的电压为正常值。

根据煤矿使用反馈，采煤机自供电系统在FPGA芯片管理调控下，供电量稳定，保障了采煤机系统稳定工作，系统故障率大为降低，有利于提高矿井工作面快速生产，改善了采煤机自供电监测和调控短板，为矿井高效生产奠定了基础，这对其他矿井采煤机稳定供电具有借鉴作用。

图6 基于FPGA技术对采煤机自供电采集现场运行与测试

4 结 论

1）采煤机自供电采集管理技术。自供电采集管理由采集器完成，而采集器的核心技术为FPGA控制芯片。FPGA控制芯片具有运行速度快、功耗低、精度高等特点，并综合DSP和单片机的高性能数据信号处理技术。

2）采煤机自供电采集管理系统包括能源管理、传感和核心模块电路。能源管理电路为FPGA控制芯片提供动力和稳定电压电流；传感电路采集自供电多参量信号，并为芯片提供基础参数；核心模块电路分析多参量并作出判断，调控好采煤机供电需求。

3）现场验证测试采煤机自供电采集管理效果。测试结果表明采煤机自供电参数供给稳定，工作稳定，故障率显著降低，达到了管理的预期效果。