全断面掘进机运行状态智能监测系统的设计研究

李亮亮

（霍州煤电集团山西汾河焦煤股份有限公司机电部，山西 洪洞 041600）

引言

随着地下掘进技术水平的提高，全断面掘进机在施工中发挥着越来越重要的作用。全断面掘进机如同一个进行流水化作业的自动化工厂，是集多种控制技术为一体的超大型综合设备[1]。

近年来，国外掘进机发展较快，其设备具备配套的故障诊断和自动化能力。而目前，国内的全断面掘进机绝大多数还是采用事后周期性检修和计划维修的方案。周期检修是对设备的定期检查，缺点是故障发生的时间间隔要大于停机检修的时间间隔，这样就常常会造成无法预估的停机。事后维修是被迫停机检修，在发生故障之后，这种传统维修方式造成的损失较大，计划维修虽然效率高，但也会造成不必要的浪费。以软件为核心的虚拟技术为全断面掘进机运行状态智能监测系统的研究提供了理想的平台[2]。如在对全断面掘进机研发较早的德国，成功研发了控制切面成型和方向识别系统，并且在几大全断面掘进机上成功试用[3]。把人工智能应用到设备的状态智能监测中，把技术创新作为关键，把知识信息作为系统的核心，这已成为设备状态智能监测的主要发展趋势。

1 系统总体方案设计

全段面掘进机的结构和液压控制系统较为复杂，全断面掘进机之所以在控制系统设置了较多的传感器，是为了保护关键步骤并对其运行状况进行检测，使其动作机构能够正常工作，执行特定的控制功能。一台全断面掘进机，其完整的电气控制系统可概括为四个部分，分别为安全性能回路保护、电气主回路驱动、主要控制回路操纵、传感系统回路监测。

伴随着科学技术的快速发展，尤其是电子和计算机科学技术的迅速普及和发展，CAN 总线在离散性远程控制领域被广泛地应用，其传输距离达到11 km时，速率仍可以到达60 kbit/s。如今，CAN 级之所以具有更高的可信赖性和判断系统错误的能力，是因为设备的通信模式和信号接受方式被提高到更高标准。CAN 则被更多地运用在高温高压、环境恶劣、电辐射极强、振动极大的工业设备环境中。独特的帧数系统运行方式是CAN 总线特有的，它的传输数据信号方式极为简单，可以实现多方位、远距离远程数据信号的传输和操纵。其执行输出操作和检验手段极大降低了总线的出错率，总体上基本实现了一定的总线分布式实时控制方式。每个操控和收集分支都按自己的系统方式运行，各自独立。随后其各部分再通过CAN 总线进行信号传递和通信，如图1 所示，各种型号的传感器、信号执行输出控制器、电气设备驱动装置、各种信号交换传递芯片、LPC 处理器等。在CAN 总线中，每个节点既是独立的个体，也是可以相互通信交流的整体。而采用本身独立的采集节点则是振动信息采集，需要的信息数据采集完成后进入SD 卡，通过CAN 总线监察振动信息数据的采集状态以及存储实时情况。

图1 CAN 总线系统监测总体结构图

2 硬件方案设计

作为整个全断面掘进机电子操纵系统核心的监测控制系统，主要负责收集分析处理机器设备的实时运行状态等方面的信息数据，有效操纵机器设备的正常运行。数据信息收集板块主要由输出入电路I/O、各微型处理器、传感器、集成放大电路、转换器A/D、采样保持电路、开关组成。操纵板块则是主要由微型处理器、执行控制输出元件、输出入电路I/O、晶闸管放大电路、各个开关于一体的操纵板面组合形成的多种操控器。LPC1768 为硬件的主控芯片，独立时钟源有三个，分别为RTC 振荡器、主振荡器和RC振荡器，常用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用；声光报警电路采样CMOS 的光电传感器，瓦斯超标会自动报警；光耦隔离电路采样的是TLP521芯片，起到耦合传输信号和隔离作用；芯片74LS244作为数据的锁存器和LG9110 电机驱动芯片加强信号驱动能力。同样信息数据也需要连接汇入总系统，进行多方数据的信息传送与交流。其功能的出现将对整个系统控制平台产生极大的影响，信息传递软件不但要实现信息交流能力，还要保障安全和可靠性。图2 是监测控制系统的硬件结构示意图，其采用模块化方法进行设计。

图2 监控系统硬件示意图

3 软件方案设计

我国在了解国外维修监测控制的基础上，从中认识到运行状态的研究与故障预防诊断给设备机器运行带来极大的改进。全断面掘进机进行运转的系统核心是监测控制主板，设备机器的实时运转数据由它收集和处理，同样也可准确地监测运行情况。系统运转中的软件和硬件都发挥着重要的作用，本次开发的软件程序主要选择Keil 编译器，其可以在WindowsXP 操作系统进行运行，使用C 语言进行代码编程。在系统运行上，一个准确的软件程序是整个机器的正常运行和执行输出的关键，所以设计上常采用由总到分、由上到下的模式，其采用模块化方法进行设计。初始数据采集，数据输入通道4～6 个，数据转换时，要初始化P0 口变为GPIO 方式，设P0 口作为输入，当其端口的电平发生改变时，即可判定工作。转换模拟量数据时，输入的模拟通道共7～9 个，先对AD 模块实现初始化，设置每次采样的数据信息带点，时间以及信息的存储方式，同样要采用除了最大和最小值的平均值方式进行滤波，其流程如图3-1 所示。在A/D 转换后，每个收集数据通道会根据电平的改变计录数据，把I、U、T、油量、压强等信号一一进行收集分析，存入FLASH 中，其流程如图3-2 所示。同样输出控制程序也极为重要，如切割机的开停、电钻机的开停、信号报警控制、整个系统在运行前的自我保护和故障报警装置程序，上述程序都大同小异。程序执行流程如图3 所示。

图3 软件A/D 转换程序流程图

4 结语

本文通过对LPC 单片机内部存储器的详细了解，主动对处理器的储存器进行配置，在整个系统程序执行的前期，首先明确CAN 总线时钟频率，设定周期中断以及定时器外部地址。初始启动工作后，再进行各分程序系统流程的运行和数据分析，加入A/D 采样程序转换，最后执行输出。此系统同样引进实时监测控制的报警程序等，从而实现了全断面掘进机运行状态的智能监测。