仇文陽(yáng)

（山西省陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司選煤中心， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

伴隨現(xiàn)代科技的持續(xù)進(jìn)步，煤礦井下生產(chǎn)掘進(jìn)設(shè)備的控制手段逐漸完善，掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)具備自我保護(hù)、控制等基礎(chǔ)功能外，還兼具遠(yuǎn)程遙控、故障自我診斷等諸多功效，同時(shí)設(shè)備操作的可靠性與穩(wěn)定性也大幅增加?，F(xiàn)代化的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)可處理模擬量信號(hào)通常可分為周期交流信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)兩大類，但在模擬量信號(hào)處理前，系統(tǒng)DSP（數(shù)字信號(hào)處理裝置）需要先對(duì)信號(hào)進(jìn)行AD（模數(shù)）轉(zhuǎn)換。常規(guī)轉(zhuǎn)換方式存在周期長(zhǎng)、效率低、速度慢等不足，對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的有效操作造成了一定影響。而CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器）作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活性高、運(yùn)算速度快的新型信號(hào)處理器件，可以極大地增強(qiáng)DSP對(duì)外設(shè)的訪問(wèn)功效，從而增加系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的搜集效率，同時(shí)CPLD系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)邏輯器件的取代可以實(shí)現(xiàn)邏輯功能的整合，使得系統(tǒng)電路組成進(jìn)一步簡(jiǎn)化，這對(duì)于掘進(jìn)機(jī)更加高效、高質(zhì)的操作有著積極意義[1]。

1 掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分析

圖1所示即為掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成框架圖，各主要構(gòu)成單元分析如下。

1.1 微機(jī)控制單元

圖1 掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成框架圖

微機(jī)控制單元為整個(gè)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)搜集、結(jié)算、分析和存儲(chǔ)等諸多核心功能。此次所使用主控芯片信號(hào)為T(mén)MS320是一款具備高效數(shù)字處理功能和嵌入控制功能的芯片，同時(shí)其還配設(shè)有多款標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)裝置，能夠?yàn)檎麄€(gè)掘進(jìn)機(jī)操控的達(dá)成提供良好的保障[2]。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)中的CPLD數(shù)據(jù)采集模塊主要用于對(duì)模擬量信號(hào)的搜集和相應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換。此次設(shè)計(jì)中選取信號(hào)為MAXE1的處理芯片，該芯片具備高效的邏輯編程解決功能，對(duì)于系統(tǒng)的高速操作有著良好的適應(yīng)性。整個(gè)芯片內(nèi)部囊括信號(hào)輸入與輸出、邏輯列陣等多個(gè)模塊。

1.3 邏輯控制模塊

邏輯控制模塊功能在于確保掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)邏輯功能有效達(dá)成。此次設(shè)計(jì)中選用型號(hào)為EPMSLC的芯片，整個(gè)芯片具有2 000多個(gè)邏輯門(mén)與80多個(gè)引腳。在使用中如果需要對(duì)控制系統(tǒng)增設(shè)全新的邏輯操作，只需對(duì)CPLD內(nèi)部程序進(jìn)行一定的修改即可，無(wú)需對(duì)硬件進(jìn)行改動(dòng)[3]。

1.4 開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊

該模塊用于對(duì)外接設(shè)備開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入與輸出，其選用繼電器與光電隔離器對(duì)信號(hào)實(shí)施電平轉(zhuǎn)換與隔離，從而確保通信具備良好的瞬間抗干擾性能，提升通訊的有效距離。

2 CPLD數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)分析

2.1 硬件設(shè)計(jì)分析

借助CPLD數(shù)據(jù)采集模塊能夠同時(shí)將多個(gè)AD轉(zhuǎn)換單元映射至DSP地址空間內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)多通道AD轉(zhuǎn)換作業(yè)的同步操作為整個(gè)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的操作提供動(dòng)態(tài)的采用通道選擇。下頁(yè)圖2所示即為數(shù)據(jù)采集模塊的硬件構(gòu)成框架示意圖。

由下頁(yè)圖2的分析可知，所謂的信號(hào)變換概指借由精密度極高的互感裝置與放大電路，實(shí)現(xiàn)電壓、電流等電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為可控的電壓信號(hào)。雙四選一概指借由多個(gè)開(kāi)關(guān)通道確保電壓和電流兩者的采樣可以同步開(kāi)展，從而有效規(guī)避電壓與電流不同步情況時(shí)存在的角度差問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)功率因數(shù)精準(zhǔn)度的增加。低通濾波裝置功能在于對(duì)信號(hào)的輸入頻率進(jìn)行調(diào)整，確保其頻率最大值不高于采樣頻率的一半。采樣保持概指通過(guò)設(shè)備調(diào)節(jié)使得模擬信號(hào)的輸入值可以再AD轉(zhuǎn)換作業(yè)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生波動(dòng)。多路轉(zhuǎn)換裝置的功能在于可以使多個(gè)模擬量信號(hào)同用同一個(gè)轉(zhuǎn)換模塊[4-5]。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊的硬件構(gòu)成框架示意圖

2.2 程序設(shè)計(jì)分析

DSP借由外部中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)CPLD的啟動(dòng)，進(jìn)而再實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的操作控制。當(dāng)CPLD確定AD轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束，便會(huì)將DSP外部中斷連接至高電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的有效讀取。其數(shù)據(jù)采樣流程示意圖如下圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采樣流程示意圖

其中，通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)對(duì)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的選通操作。AD轉(zhuǎn)換裝置同采樣保持裝置將的轉(zhuǎn)換順序由多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)操控完成。AD轉(zhuǎn)換裝置借由CPLD狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)有效操作。也就是說(shuō)將AD轉(zhuǎn)換作業(yè)換分為四個(gè)狀態(tài)，其分別為 ST0、ST1、ST2、ST3，相互間關(guān)系如圖4所示。其中ST0代表AD轉(zhuǎn)換處于初始狀態(tài)；ST1代表AD轉(zhuǎn)換處于選通狀態(tài)；ST2代表AD轉(zhuǎn)換作業(yè)完畢；ST3代表對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取[6]。

圖4 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖

3 邏輯控制模塊設(shè)計(jì)分析

邏輯控制借由一個(gè)CPLD芯片替換傳統(tǒng)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)邏輯元器件，從而達(dá)成對(duì)多個(gè)邏輯功能的集成，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)電路簡(jiǎn)化的目標(biāo)。圖5為邏輯電路結(jié)構(gòu)示意圖[7]。

圖5 CPLD邏輯電路結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

掘進(jìn)機(jī)作為煤礦生產(chǎn)作業(yè)連續(xù)、高效開(kāi)展的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行質(zhì)量對(duì)礦井生產(chǎn)的整體經(jīng)濟(jì)效益的提升有著積極作用?；诖耍V井管理者應(yīng)將對(duì)掘進(jìn)機(jī)的管理作為煤礦設(shè)備管理的核心之一，組織專業(yè)技術(shù)力量，結(jié)合礦井實(shí)際的情況研發(fā)具有針對(duì)性的智能化控制系統(tǒng)，從而為礦井生產(chǎn)效益的提升和礦井持續(xù)發(fā)展提供支撐。

[1] 高俊嶺，歐陽(yáng)名三，朱成杰.新型掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011（10）：96-99.

[2] 盧軍，李振璧，曹明明，等.基于STM32的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2013（1）：265-267.

[3] 呼守信.基于DSP及CPLD的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2012（3）：55-57.

[4] 井樂(lè).掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)成型控制系統(tǒng)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

[5] 劉美俊，林明星，鈕恒，等.掘進(jìn)機(jī)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與維護(hù)[J].煤炭工程，2016（11）：131-133.

[6] 王紅.懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016（9）：68-71.

[7] 曹輝.新型掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2014（6）：159-160.