基于FPGA技术的采煤机自供电采集管理探讨_侯鑫.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 0引言 煤矿采煤机是集机械、 电气、 液压为一体的综合 采煤机械设备， 设备所处工作面环境恶劣， 经常遭受 煤尘、 瓦斯、 潮湿等影响， 而且还会承受来自矸石、 煤、 机械等巨大载荷冲击， 采煤机很容易受这些外部条件 影响而产生故障。若采煤机出现供电故障， 必定影响 工作面正常生产， 最终致使整个矿井停产维修。 为此， 如何研发出所处井下工作面狭窄空间、 环境恶劣的采 煤机自供电采集管理系统， 在多参量传感器辅助作用 下自动监测采煤机供电参数[1]， 确保综采工作面正常 生产， 这是目前矿井工作面采煤机自供电采集管理遇 见的难题。为了解决矿井面临的困扰， 论文提出基于 FPGA 技术的采煤机自供电采集管理方案， 以期提高 采煤机自供电稳定性和安全性，保障采煤机安全、 可 靠运行， 从而提升矿井生产效益。 1自供电采集管理技术 1.1供电采集技术 矿井采煤机自供电采集管理， 不仅要要考虑采煤 机供电系统所处环境， 还要确保供电系统输出功率满 足整个采煤机及其附属设备系统自身需求， 这样才能 有效保障综采工作面正常生产， 提高采煤机系统运行 效率。为了掌握采煤机供电参数监测和能量转换情 况，采用供电采集器对工作中的采煤机进行在线监 测、 收集， 该采集器主要由磁电、 压电、 摩擦等电磁复 合技术组成， 结构示意如图 1 所示。 图 1供电采集器结构 煤矿采煤机自供电采集与管理系统包括能量转 换器和电路管理两个方面[2]， 系统通过传感器采集采 煤机及其附属设备工作时的机械能， 机械能传输至系 统中的复合振动能量转换器中， 在转换器作用下将机 械能转换为电能。在微弱电量供给下， 供电采集器将 收集到的能量传输至 AD/DC 转换端，并由电源管理 电路传输至下一个环节中进行储存、管理和分析， 经 过控制电路作用下， 由无线发射结构将有用数据信息 基于 FPGA 技术的采煤机自供电采集管理探讨 侯鑫 （晋煤集团寺河煤矿二号井 ，山西 晋城 048000 ） 摘要 为了保障采煤机稳定供电， 论文基于 FPGA 技术的采煤机自供电采集管理进行了探讨。 阐述 了采煤机自供电采集管理技术， 分别从能源管理、 传感和核心模块设计了采集管理电路。现场测试结 果表明， 采集管理系统在 FPGA 控制芯片调控下， 采煤机自供电参数供给稳定， 供电故障率显著降低， 保障了采煤机安全、 可靠生产， 为矿井提高经济效益奠定了良好基础。 关键词 采煤机 ； FPGA 控制芯片 ； 供电； 监测 中图分类号 TD632文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0150-03 Discussion on collection and management of shearers self power supply about FPGA Technology HOU Xin （No. 2 shaft, sihe coal mine , Jincheng 048000 , China ） Abstract In order to ensure the stable power supply of shearer, this paper discusses the collection management of self-power supply of shearer based on FPGA technology. This paper describes the technology of coal mining machine self-powered collection and manage- ment, and designs the collection and management circuit from the energy management, sensing and core modules. The field test results show that under the control of FPGA control chip, the shearer self-power supply parameters are stable and the failure rate of power supply is significantly reduced, which ensures the shearers safe and reliable production and lays a good foundation for the mine to improve eco- nomic benefits. Key words The coal mining machine ; FPGA control chip ; Power supply ; monitoring 150 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 传送至上位机。 采煤机自供电采集系统包含多参量传 感器、 管理电路、 控制电路和数据采集以及信息发射 端， 采集装置中的管理电路由转换器、 信息综合处理 器、 输入 / 输出电压管理、 功率调控以及备用锂电池 和监测装置保护模块。 在 FPGA控制芯片分析研判下 实现对采煤机自供电状况进行控制和管理。 1.2FPGA 功能特性 FPGA 主控芯片不仅同时拥有 DSP 和单片机高 性能数据信号处理技术，而且还具有运行速度快、 管 脚数量多、 内部程序并行运行、 内部集成多种软核等 优良特性 [3]， FPGA 技术综合了单片机和 DSP 二者所 有性能， 能够完成单片机和 DSP 功能[4]， FPGA 主控芯 片如图 2 所示。 在采煤机自供电采集管理系统中采用 FPGA 主 控芯片作为控制中心，控制电路负责收集信息并采 集，通过无线通讯将信息数据传送至 FPGA 主控芯 片。信息传送的方式分为两种， 一种是多通道同步采 集传输， 另外一种是多通道异步采集传输， 但是针对 条件复杂的采煤机自供电监测和管理， 需要考虑采集 信号所受干扰程度、 信息的及时性、 功耗较低， 易于控 制等方面，故采用多通道异步采集传输，才能确保 FPGA主控芯片采集的精度和控制的准确率。 图 2FPGA 样本图 2采集管理电路设计 图 3FPGA 采集技术组成系统 采煤机基于 FPGA 采集管理技术组成的系统结 构详见图 3 所示， FPGA 采集管理技术主要由四个模 块组成， 分别为能源管理、 信号采集、 无线通讯和主控 四个模块。信号模块是在温度、 振动等传感器辅助下 采集信息， 并将信息发送至接口控制单元 （FPGA 主 控芯片 ） ； 无线通讯模块起传输作用， 通过蓝牙等无线 接收、 发送装置实现信息交换； 能源管理模块对主控 单元工作提供能量， 并执行主控单元采集和管理的命 令， 下面分别对基于 FPGA 技术的采煤机自供电采集 管理系统能源管理电路、 传感电路和核心模块电路设 计探讨。 2.1能源管理电路 基于 FPGA 技术的采煤机自供电采集管理系统 中的能源管理电路工作基本原理如图 4 所示， 电路中 主要分为四部分， 分别为换能器、 全波整流、 储能网络 和开关电源。换能器作用是将交流与直流相互转换， 全波整流的作用是将换能器中输出的电能进行整流 和稳压， 开关电源主要是提供动力和控制启停。储能 网络电路中的 C1、 C2 为储能电容， S1、 S2、 S3、 S4 为模 拟开关， 由整流稳压后的电能储存至该网络中。若采 煤机系统一些细小零件需要临时供给能量， FPGA 芯 片控制电源开关闭合， 储能网络中的模拟开关系统控 制电路放电， 电容中的电能转化为稳定的电压直接输 出直流电供采煤机系统零部件， 避免了采煤机零部件 因缺电而停止工作， 保护了整个采煤系统稳定运行。 图 4能源管理电路工作原理 2.2传感电路 采煤机自供电采集管理系统的传感电路设计为 数字型， 该数字型传感器具有功耗小、 可控性强的特 点。采集振动信号选择 ADXL345 数字型三轴加速度 传感器，该传感器功耗超低，无工作时功耗只需 0.25μW， 监测的振动加速度范围可以在 - 16g16g， 而采煤机在综采期间最大的减速度才为 10g， 因此从 量程来看满足需求。ADXL345 数字型加速度传感器 为核心控制模块提供了两种数字访问接口， 即 SPI 和 I2C 访问接口[5]， 为了节约布线和尽量减小采集管理 系统体积， ADXL345 数字型加速度传感器与 FPGA 控制芯片的通讯采用 12C 访问接口模式。ADXL345 数字型加速度传感器适用性较强，监测加速度精度 高， 还可以用来监测采煤机倾斜角度， 其内部结构、 模 块构成详见图 5 所示。 采煤机自供电采集管理系统的 151 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 传感电路采用 ADXL345 数字型加速度传感器可以监 测采煤机振动、 采掘所受载荷， 有利于对采煤机工作 期间供电电压、 电流控制提供准确的基础参数， 方便 FPGA控制芯片对采煤机自供电管理。 图 5传感电路内部构成 2.3核心模块电路 采煤机自供电采集管理系统核心模块电路是整 个电路设计的重点， 核心模块电路包括处理器、 内涵 传感器、 硬件接口、 外围电路等。核心模块自带微带 Balun 与 2.4GHz 天线， 其作用是高速大量传输信息， 内涵传感器与 FPGA控制芯片与管脚相连， 为芯片高 速运算提供参数， 微带 Balun 是平衡转换器无线传输 与单极天线传输造成的差异[6]。采集管理系统核心模 块电路集 RF 射频收发器和系统可编程 flash 存储 器，为采集管理系统 FPGA 控制芯片支持 8k byte RAM功能超运算、 逻辑判断和命令执行奠定基础。 可 以这样说， FPGA 控制芯片是采煤机监测、调控的大 脑， 而核心模块电路则为 FPGA芯片心脏。 3现场运行与实验 为了验证基于 FPGA 控制技术的采煤机自供电 采集管理效果， 对现场运行的采煤机供电系统进行了 测试研究， 现场测试如图 6 所示。 在采煤机工作期间， 监测管理系统采用 FPGA 控制芯片进行调节， 分别对 采煤机以及附属设施的加速度、机械振动、电压、 电 流、 转速、 功率消耗等参量进行了监测， 通过传感器采 集到的信息传输给 FPGA 控制芯片， FPGA 内处理器 对信息甄别、 分析后， 调控不正常的参数。 测试计算上 显示磁电有效输出电压范围为7V，压电输出电压 为40V， 且均为交流电输出， 说明在 FPGA 控制下 采煤机零部件所需的电压为正常值。 根据煤矿使用反馈， 采煤机自供电系统在 FPGA 芯片管理调控下， 供电量稳定， 保障了采煤机系统稳 定工作， 系统故障率大为降低， 有利于提高矿井工作 面快速生产，改善了采煤机自供电监测和调控短板， 为矿井高效生产奠定了基础， 这对其他矿井采煤机稳 定供电具有借鉴作用。 图 6基于 FPGA 技术对采煤机自供电采集现场运行与测试 4结论 1 ）采煤机自供电采集管理技术。自供电采集管 理由采集器完成， 而采集器的核心技术为 FPGA 控制 芯片。FPGA控制芯片具有运行速度快、 功耗低、 精度 高等特点，并综合 DSP 和单片机的高性能数据信号 处理技术。 2 ）采煤机自供电采集管理系统包括能源管理、 传感和核心模块电路。 能源管理电路为 FPGA控制芯 片提供动力和稳定电压电流； 传感电路采集自供电多 参量信号， 并为芯片提供基础参数； 核心模块电路分 析多参量并作出判断， 调控好采煤机供电需求。 3 ）现场验证测试采煤机自供电采集管理效果。 测试结果表明采煤机自供电参数供给稳定，工作稳 定， 故障率显著降低， 达到了管理的预期效果。 参考文献 [1] 邓心方,文玉梅,李平.采用自供电无线传感网络的电线安 全监测系统[J].传感技术学报,2014 （6） 842. 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