基于ARM9的采煤机主控系统设计与实现——机械论文

    煤矿开采机械化、自动化是现代煤矿生产的必然趋势，目前我国煤矿生产的机械化、网络化、数字化进程也十分迅速。采煤机作为井下综采的重要设备，其自动控制系统的研究一直是一个重要课题。针对目前采煤机自动控制系统存在的无法兼顾瓦斯涌出量、顶板压力监控不力等问题，设计了一种基于ARM的采煤机智能控制系统，通过对瓦斯浓度的监控和顶板破碎状态的分析，控制采煤机的速度，实现采煤机的智能控制。

一、系统实现的原理

1.1 瓦斯浓度与采煤机速度的PID控制

    采煤机智能监控系统实现的首要功能是将采煤机的速度与瓦斯涌出量进行协调控制，实现方式是运用PID算法与模糊控制相结合的方法，由于使用单纯的PID控制稳定性虽好，但这个采煤机控制系统并非线性系统，因此难以形成数学模型，所以可以采用模糊控制的方式加以弥补。对应模糊控制的实现方式是对采集到的瓦斯涌入量经过处理，将涌入量转换成一个模拟量，根据算法将模拟量转换成的一个特定的变化范围，根据采集到的瓦斯浓度是否在这一变化范围内完成控制。

1.2 顶板状态监测

二、主控系统的实现

2.1 系统总体设计

    采煤机的控制系统主控器使用了ARM9与DSP的方式完成，辅以RTC实时时钟，加密模块、显示模块、速度控制模块等部分。数据采集部分主要包括对瓦斯进行检测的无线瓦斯传感器模块，对顶板状态进行采集的图像采集传感器及压力传感器构成。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2.2 瓦斯传感器模块设计

    瓦斯涌出量的检测是控制采煤机运动的必要条件，系统中对瓦斯的检测采用无线的方式完成。采煤机工作的过程中，瓦斯会不断涌出，同时随着空气流通瓦斯含量会稀释，所以采煤机运动速度和瓦斯涌出量需要达到一个平衡值才能保证生产的安全，一般井下安全要求瓦斯浓度不能超过百分之一。

    瓦斯传感器模块的芯片选用STC12C5A60S2系列，通过无线模块nRF905可以将采集到的瓦斯浓度发送到主控系统，主控系统根据模糊控制原理，实时调整采煤机运行速度，达到平衡。瓦斯传感器结构图如图2所示。 

图2 瓦斯传感器结构图

2.3 瓦斯传感器显示模块设计

    瓦斯传感器模块自身具有对当前采集到的瓦斯聚集量的显示功能，以便让井下工作人员清楚掌握当前的瓦斯浓度。显示模块使用了LCD1602显示器，当瓦斯浓度达到百分之一以上时，系统报警并将信息显示在显示器上，显示电路设计如图3所示。

图3 显示模块电路图

2.4 无线信号收发单元设计

    无线信号传输模块中核心是射频收发模块nRF905，该模块工作电压是1.9~3.6V，较为宽松，内部集成了晶体振荡器、发大器、频率合成器及电源灯模块。nRF905模块实物与硬件接口图如图4所示。

图4 nRF905实物与接口图

2.5 顶板压力采集模块设计

    采煤机工作过程中，顶板的压力不断变化，当压力加大到顶板不能承受的时候，将发生塌陷事故，造成严重的后果。因此采煤机控制系统必须实时采集顶板压力状态，防止顶板塌陷。系统对顶板压力的检测选用了KGY60型顶板压力传感器，该传感器检测的压力检测范围为0-60MPa之间，使用本安DC12～18V电源供电。顶板压力采集模块的电路设计如图5所示。电路中P320是压力传感器端口，采用了12V电源供电。电阻R320完成电流信号到电压信号的转换功能。

图5 顶板压力检测模块电路图

三、 结语

    采煤机作为井下重要的综采设备，其工作的稳定与安全性极为重要，本文介绍了采煤机主控系统的设计与实现方法，系统重点对开采过程中瓦斯浓度与顶板状态进行监控，协调采煤机的开采速度，使得两者达到平衡，克服安全隐患，实现安全生产。文中重点对主控系统的总体结构、实现原理做了阐述，对采集模块中的主要设计进行了较为详细的介绍，为井下采煤机的智能控制提供借鉴。

参考文献：

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