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摘要：煤炭是我国的重要一次能源，在煤矿生产中，煤炭的开采效率和井下采煤设备之间有着重要的联系，采煤机是煤矿开采的主要设备之一。以电牵引采煤机作为研究对象，设计相关的数字信息采集电路，为了提高控制系统的可靠性，设计抗干扰电路。
关键词：煤矿；采煤机；STM32；数字采集
0引言
采煤机是煤矿井下的重要生产设备，一旦发生故障，将造成煤矿开采的停止，降低生产的效率。随着煤炭开采技术和电子信息技术的发展，越来越多的电子信息设备被运用到煤矿开采过程中，并大大提升了电控设备的性能[1]。采煤机作为综合机械化采煤技术的核心设备之一，利用STM32单片机为核心，设计采煤机数字采集系统，对采煤机的运行状态进行监测，保障采煤机的正常运行。以DSP为核心设计的采煤机数字信号采集系统具有良好的扩展性和数据处理的能力，可以满足复杂情况下的煤矿采煤机的数据处理需求，提升采煤机电控系统的效率，进而提高煤炭开采的效率[2-4]。
1采煤机数字采集系统设计要求
1.1电牵引采煤机的组成及功能
采煤机种类繁多，并在煤矿的开采过程中有着广泛的应用，本文的研究对象为电牵引采煤机，主要由以下四个部分组成：截割部分、牵引部分、电气部分和相关的辅助系统。截割部分是采煤机直接和煤矿接触的部分，消耗着采煤机的大部分功耗。通过截割部分对煤层的截割，使煤矿落入到刮板机中，通过电机的传送，将煤矿运输到矿井以外。电牵引部分是采煤机运动的主要执行部分，一般包括左、右两个部分，都可以进行速度和方向的调节，保证采煤机的稳定移动。随着矿井设备功率的增大，电牵引部分的作用日渐重要。电气控制部分主要实现对采煤机的各个部位电机的控制和保护，控制两个摇摆电机和两个行走电机。电气控制部分包括变频器、电控箱、变压器等部分。辅助部分包括、底托架、滑靴、电缆拖移装置等，实现对采煤机零散部件的管理，配合采煤机完成采煤的功能。
1.2数字采集系统设计要求
（1）采煤机可能工作在爆炸性气体和粉尘的环境中，控制系统必须具备防爆特性，符合煤矿安全要求。（2）随着采煤机功率的增加，综合自动化采煤的要求不断被提出，因此，还必须考虑为以后新技术的应用提供足够的硬件平台支持，预留数据采集端口。（3）采集系统需要具有高度可靠性和容错能力，系统在正常工作时，稳定可靠，可保障采煤机的稳定运行，减少故障发生的几率。（4）可以根据采煤机的不同的应用场合，修改工作参数，使系统软硬件具有较高的可扩展性。
2系统硬件设计
2.1系统硬件框架
电气控制系统的硬件设计方案如图1所示，数据采集模块和主控芯片之间的通讯方式选择为CAN总线结构，煤岩识别装置和主控芯片之间的通讯方式选择为RS-485通讯方式。结构为了减轻现场布线的负担，增加系统工作的可靠性，整个系统采用分布式设计，各个模块之间通过串行通讯线路相连，减少系统线缆的数量。左、右摇臂的活动性较强，采用无线传输模块，使数据采集、发送更加便捷，可靠。
2.2主控芯片选型
控制器的核心芯片采用STM32F103C芯片，该芯片采用ARMV7构架，不仅支持Thumb-2指令集，而且拥有很多新特性。外部供电选择2.0～3.6V直流电压。芯片复位以后，可以选择不同的工作模式：运转模式、停止模式、待机模式。根据不同模式的选择，可以调节芯片的功耗。STM32拥有众多的外设，包括ADC、DAC、RTC、DMA、TIMER、SPI、CAN等等。同时，每个外设都有自己的时钟系统，可以进行独立的时钟配置，可以通过控制不同外设的时钟降低系统的功耗。
2.3振动采集电路设计
2.3.1加速度传感器选型
采煤机截割部质量从几吨到几十吨，采煤机的截割部分和煤层之间会产生相互的作用力，这两种力会产生振动加速度信号。对于普通的振动传感器，这种加速度信号非常容易捕捉，但是不能保存。即使得到煤矿采煤机的工况实时信息，也不能保存备份，不利于采煤机工况的长期分析。针对以上问题，本系利用超低功耗的msp430单片机重新对加速度传感器的电路进行集成，作为系统的振动信号采集模块应用在系统中。加速度传感器的选型为MLV-7，该传感器的灵敏度为20.0mV/ms-1，幅值线性度小于3％，横向灵敏度小于5％，输出电阻小于900Ω。
2.3.2振动采集模块电路
振动模块的电路设计如图2所示，三轴振动传感器的输出量为模拟信号，通过24位的数模转换芯片，转换成数字量，发送给msp430芯片，并在msp430中进行数据的存储和相关计算，最终的振动信息通过RS-485通讯协议发送给主控芯片（STM32）。
2.4电源电路及抗干扰设计
2.4.1电源输入电路设计
STM32单片机的供电电源一般为3.3V，在继电保护设备中，继电保护控制器的电源电路的输入端为某一个电压互感器的输出端，在前级的电压转换模块中，根据控制器用电等级的不同，电源输出包括三个部分：12VDC、5VDC、3.3VDC。分别供电给继电器、晶振芯片、单片机，3.3V电压的产生是通过SPX1117芯片实现的，该芯片的输入电压为5V，电压输出为3.3V。满足STM32单片机的工作电压需求。
2.4.2抗干扰设计
矿井用电设备往往需要考虑抗干扰的特性，电源是控制器的重要组成部分，很多矿井的电磁干扰都是通过电源流入系统，对系统的正常工作造成干扰，因此，为了增加系统抗干扰的特性，设计了电源输入电路，电路原理图如图4所示。电路中的R1=1MΩ，R2=14kΩ，R3=10kΩ，R4=200kΩ，电容的阻值选型为0.47μF，当输入电压为6V时，可以滤除掉电路中的6次谐波。
2.5转矩转速传感器选型
在电牵引采煤机的数字采集系统中，需要对牵引电机的精确功率和转矩、转速进行数据采集，采集传感器的型号选择为JC系列转矩转速传感器，该传感器的工作原理为：通过两组磁电信号发生器，把被测转矩、转速的状态信息进行信息类型的转换，产生具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，相位差的变化部分又与被测转矩成正比[6-7]。
3系统软件程序设计
本文设计的的数字采集系统以STM32作为核心，利用Keil5进行编程，软件流程图如图5所示，在采煤机静止不动的时候，振动传感器无法感受到振动信号，数据采集系统不进行工作，系统处于休眠状态。当电牵引采煤机运行时，振动信号将msp430单片机从低功耗唤醒，msp430单片机向主控芯片发出工作信号，采集系统进入数据采集和存储的工作状态，依次采集电牵引部分的振动信号和采煤机中运行中电机的转矩转速信号，信号采集的频率为1次/5min。当振动信号长期为0时，系统自动判断为采煤机停止运行，重新进入低功耗，等待唤醒的命令。程序流程图如图5所示，图中的T表示当前时间与上次数据采集的时间差。振动系统的控制器采用msp430芯片，可以在IARfor430软件平台上进行编程。振动采集模块的软件流程如图6所示，msp430单片机的在上电运行后，先进行一次数据采集，之后进入LPM0低功耗模式，等待振动传感器的振动信号，当msp430的端口接收到振动产生的中断时，振动采集模块被唤醒，进行数据的采集、转换和存储，并利用RS-485通讯协议和主控芯片进行数据通讯。
4总结
本文针以电牵引采煤机作为研究对象，设计数字信息采集系统。分析了电牵引采煤机的截割部分、牵引部分、电气部分和相关的辅助系统的主要作用，明确数字采集系统的设计要求。详细介绍了系统的硬件设计，包括：主控芯片的选型、振动采集电路模块的集成设计、电源电路抗干扰电路设计和转矩转速传感器的选型方法，分别利用Keil5和IAR软件对主控芯片的程序进行设计与烧写，实现数字采集系统的功能。
参考文献：
［1］张广义.综合机械化采煤工艺［J］.煤炭技术，2009，28（3）：60-62.
［2］郭俊，田慕琴，宋建成，等.综采工作面生产自动化控制系统的开发［J］.煤炭技术，2016（7）：277-279.
［3］周元华.薄煤层电牵引采煤机智能控制关键技术研究［D］.西安：西安科技大学，2014.
［4］段宁宁.煤矿综合机械化的采煤工艺研究探讨［J］.科技创新与应用，2012（08）：81-81.
［5］夏洪波.基于DSP的电牵引采煤机控制系统设计［D］.西安：西安科技大学，2015.
［6］黄平，王英，江先志.基于STM32的直流电机模糊PID调速系统研究［J］.机电工程，2017，34（4）：380-385.
［7］欧璐璐.基于直接转矩控制的采煤机变频调速系统研究［D］.淮南：安徽理工大学，2008.
作者:雷英富 单位:西山煤电东曲矿
