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摘要：煤炭是我國的重要一次能源，在煤礦生產中，煤炭的開采效率和井下采煤設備之間有著重要的聯系，采煤機是煤礦開采的主要設備之一。以電牽引采煤機作為研究對象，設計相關的數字信息采集電路，為了提高控制系統的可靠性，設計抗干擾電路。

關鍵詞：煤礦；采煤機；STM32；數字采集

0引言

采煤機是煤礦井下的重要生產設備，一旦發生故障，將造成煤礦開采的停止，降低生產的效率。隨著煤炭開采技術和電子信息技術的發展，越來越多的電子信息設備被運用到煤礦開采過程中，并大大提升了電控設備的性能[1]。采煤機作為綜合機械化采煤技術的核心設備之一，利用STM32單片機為核心，設計采煤機數字采集系統，對采煤機的運行狀態進行監測，保障采煤機的正常運行。以DSP為核心設計的采煤機數字信號采集系統具有良好的擴展性和數據處理的能力，可以滿足復雜情況下的煤礦采煤機的數據處理需求，提升采煤機電控系統的效率，進而提高煤炭開采的效率[2-4]。

1采煤機數字采集系統設計要求

1.1電牽引采煤機的組成及功能

采煤機種類繁多，并在煤礦的開采過程中有著廣泛的應用，本文的研究對象為電牽引采煤機，主要由以下四個部分組成：截割部分、牽引部分、電氣部分和相關的輔助系統。截割部分是采煤機直接和煤礦接觸的部分，消耗著采煤機的大部分功耗。通過截割部分對煤層的截割，使煤礦落入到刮板機中，通過電機的傳送，將煤礦運輸到礦井以外。電牽引部分是采煤機運動的主要執行部分，一般包括左、右兩個部分，都可以進行速度和方向的調節，保證采煤機的穩定移動。隨著礦井設備功率的增大，電牽引部分的作用日漸重要。電氣控制部分主要實現對采煤機的各個部位電機的控制和保護，控制兩個搖擺電機和兩個行走電機。電氣控制部分包括變頻器、電控箱、變壓器等部分。輔助部分包括、底托架、滑靴、電纜拖移裝置等，實現對采煤機零散部件的管理，配合采煤機完成采煤的功能。

1.2數字采集系統設計要求

（1）采煤機可能工作在爆炸性氣體和粉塵的環境中，控制系統必須具備防爆特性，符合煤礦安全要求。（2）隨著采煤機功率的增加，綜合自動化采煤的要求不斷被提出，因此，還必須考慮為以后新技術的應用提供足夠的硬件平臺支持，預留數據采集端口。（3）采集系統需要具有高度可靠性和容錯能力，系統在正常工作時，穩定可靠，可保障采煤機的穩定運行，減少故障發生的幾率。（4）可以根據采煤機的不同的應用場合，修改工作參數，使系統軟硬件具有較高的可擴展性。

2系統硬件設計

2.1系統硬件框架

電氣控制系統的硬件設計方案如圖1所示，數據采集模塊和主控芯片之間的通訊方式選擇為CAN總線結構，煤巖識別裝置和主控芯片之間的通訊方式選擇為RS-485通訊方式。結構為了減輕現場布線的負擔，增加系統工作的可靠性，整個系統采用分布式設計，各個模塊之間通過串行通訊線路相連，減少系統線纜的數量。左、右搖臂的活動性較強，采用無線傳輸模塊，使數據采集、發送更加便捷，可靠。

2.2主控芯片選型

控制器的核心芯片采用STM32F103C芯片，該芯片采用ARMV7構架，不僅支持Thumb-2指令集，而且擁有很多新特性。外部供電選擇2.0～3.6V直流電壓。芯片復位以后，可以選擇不同的工作模式：運轉模式、停止模式、待機模式。根據不同模式的選擇，可以調節芯片的功耗。STM32擁有眾多的外設，包括ADC、DAC、RTC、DMA、TIMER、SPI、CAN等等。同時，每個外設都有自己的時鐘系統，可以進行獨立的時鐘配置，可以通過控制不同外設的時鐘降低系統的功耗。

2.3振動采集電路設計

2.3.1加速度傳感器選型

采煤機截割部質量從幾噸到幾十噸，采煤機的截割部分和煤層之間會產生相互的作用力，這兩種力會產生振動加速度信號。對于普通的振動傳感器，這種加速度信號非常容易捕捉，但是不能保存。即使得到煤礦采煤機的工況實時信息，也不能保存備份，不利于采煤機工況的長期分析。針對以上問題，本系利用超低功耗的msp430單片機重新對加速度傳感器的電路進行集成，作為系統的振動信號采集模塊應用在系統中。加速度傳感器的選型為MLV-7，該傳感器的靈敏度為20.0mV/ms-1，幅值線性度小于3％，橫向靈敏度小于5％，輸出電阻小于900Ω。

2.3.2振動采集模塊電路

振動模塊的電路設計如圖2所示，三軸振動傳感器的輸出量為模擬信號，通過24位的數模轉換芯片，轉換成數字量，發送給msp430芯片，并在msp430中進行數據的存儲和相關計算，最終的振動信息通過RS-485通訊協議發送給主控芯片（STM32）。

2.4電源電路及抗干擾設計

2.4.1電源輸入電路設計

STM32單片機的供電電源一般為3.3V，在繼電保護設備中，繼電保護控制器的電源電路的輸入端為某一個電壓互感器的輸出端，在前級的電壓轉換模塊中，根據控制器用電等級的不同，電源輸出包括三個部分：12VDC、5VDC、3.3VDC。分別供電給繼電器、晶振芯片、單片機，3.3V電壓的產生是通過SPX1117芯片實現的，該芯片的輸入電壓為5V，電壓輸出為3.3V。滿足STM32單片機的工作電壓需求。

2.4.2抗干擾設計

礦井用電設備往往需要考慮抗干擾的特性，電源是控制器的重要組成部分，很多礦井的電磁干擾都是通過電源流入系統，對系統的正常工作造成干擾，因此，為了增加系統抗干擾的特性，設計了電源輸入電路，電路原理圖如圖4所示。電路中的R1=1MΩ，R2=14kΩ，R3=10kΩ，R4=200kΩ，電容的阻值選型為0.47μF，當輸入電壓為6V時，可以濾除掉電路中的6次諧波。

2.5轉矩轉速傳感器選型

在電牽引采煤機的數字采集系統中，需要對牽引電機的精確功率和轉矩、轉速進行數據采集，采集傳感器的型號選擇為JC系列轉矩轉速傳感器，該傳感器的工作原理為：通過兩組磁電信號發生器，把被測轉矩、轉速的狀態信息進行信息類型的轉換，產生具有相位差的兩組交流電信號，這兩組交流電信號的頻率相同且與軸的轉速成正比，相位差的變化部分又與被測轉矩成正比[6-7]。

3系統軟件程序設計

本文設計的的數字采集系統以STM32作為核心，利用Keil5進行編程，軟件流程圖如圖5所示，在采煤機靜止不動的時候，振動傳感器無法感受到振動信號，數據采集系統不進行工作，系統處于休眠狀態。當電牽引采煤機運行時，振動信號將msp430單片機從低功耗喚醒，msp430單片機向主控芯片發出工作信號，采集系統進入數據采集和存儲的工作狀態，依次采集電牽引部分的振動信號和采煤機中運行中電機的轉矩轉速信號，信號采集的頻率為1次/5min。當振動信號長期為0時，系統自動判斷為采煤機停止運行，重新進入低功耗，等待喚醒的命令。程序流程圖如圖5所示，圖中的T表示當前時間與上次數據采集的時間差。振動系統的控制器采用msp430芯片，可以在IARfor430軟件平臺上進行編程。振動采集模塊的軟件流程如圖6所示，msp430單片機的在上電運行后，先進行一次數據采集，之后進入LPM0低功耗模式，等待振動傳感器的振動信號，當msp430的端口接收到振動產生的中斷時，振動采集模塊被喚醒，進行數據的采集、轉換和存儲，并利用RS-485通訊協議和主控芯片進行數據通訊。

4總結

本文針以電牽引采煤機作為研究對象，設計數字信息采集系統。分析了電牽引采煤機的截割部分、牽引部分、電氣部分和相關的輔助系統的主要作用，明確數字采集系統的設計要求。詳細介紹了系統的硬件設計，包括：主控芯片的選型、振動采集電路模塊的集成設計、電源電路抗干擾電路設計和轉矩轉速傳感器的選型方法，分別利用Keil5和IAR軟件對主控芯片的程序進行設計與燒寫，實現數字采集系統的功能。

參考文獻：

［1］張廣義.綜合機械化采煤工藝［J］.煤炭技術，2009，28（3）：60-62.

［2］郭俊，田慕琴，宋建成，等.綜采工作面生產自動化控制系統的開發［J］.煤炭技術，2016（7）：277-279.

［3］周元華.薄煤層電牽引采煤機智能控制關鍵技術研究［D］.西安：西安科技大學，2014.

［4］段寧寧.煤礦綜合機械化的采煤工藝研究探討［J］.科技創新與應用，2012（08）：81-81.

［5］夏洪波.基于DSP的電牽引采煤機控制系統設計［D］.西安：西安科技大學，2015.

［6］黃平，王英，江先志.基于STM32的直流電機模糊PID調速系統研究［J］.機電工程，2017，34（4）：380-385.

［7］歐璐璐.基于直接轉矩控制的采煤機變頻調速系統研究［D］.淮南：安徽理工大學，2008.

作者:雷英富 單位:西山煤電東曲礦