基于单片机的采煤机自动调高控制系统.doc

第1期 2004年2月 工矿自动化 Industry and M ine A utomation No.1 Feb.2004 文章编号1671-251X200401-0006-04 基于单片机的采煤机自动调高控制系统 张俊梅1 , 李文彬1 , 范 迅2 , 康风义 2 1.北京林业大学工学院机电工程系,北京 100083; 2.中国矿业大学北京校区机电工程系,北京 100083 摘要以自然C 射线煤岩界面识别传感器煤厚测报模型为基础,对采煤机滚筒自动调高控制系统进行了设计,主要确定了系统的调高方案、硬件组成及控制器设计,为实现采煤机自动化建立了控制理论模型。 关键词采煤机;自动控制;调高;单片机;控制器 中图分类号TD632 文献标识码B Automatic Control System of Height Sett ing of Shearer Based on Single -chip M icrocomputer ZHANG Jun -mei 1, LI Wen -bin 1, FAN Xun 2, KANG Feng -yi 2 1.Dept.of Mechanical and Electronic Engineering of Beijing Forestry University,Beijing 100083,China.2.Dept.of M echanical and Electronic Eng ineering of CUM T.Beijing Campus,Beijing 100083,China Abstract Based on the mathem atic model of natural gamm a radiation coal interface sensor,the autom atic control system of height setting of shearer has been designed,including the control ,hardw are compo -nents and the controller.This could be a control model for the automatic shearer. Key words shearer,automatic control,height setting ,single -chip m icrocomputer,controller 收稿日期2003-10-15 作者简介张俊梅1973-,女,陕西乾县人,1999年于中国矿业大学北京校区获得硕士学位,现为北京林业大学讲师,在读博士,主要从事机电一体化方面的教学和研究工作。 0 引言 随着采煤机械化程度的不断提高和现代自动控制技术的快速发展,实现井下长壁工作面采煤自动化和无人采煤工作面也逐渐成为可能。我国实行不留顶煤的采煤工艺,要求滚筒沿着煤岩界面进行切割。由于人工操作很难控制,滚筒常常切入顶板岩石,因此在煤岩界面识别技术基础上实行滚筒的自动调高是采煤机自动化的关键所在。 本文在自然C 射线煤岩界面识别传感器NGR CIS煤厚测报模型[1] 的基础上对采煤机滚筒的自动调高控制系统进行了设计。1 滚筒调高控制系统的机理 双滚筒采煤机工作时一次采全高,双向均可采煤,向上巷运行时,上巷方向的滚筒采上半部,下巷方向的滚筒采下半部;向下巷采煤时,则反之。从实时测控的角度看,传感器应布置在滚筒位置。但考虑到采煤机结构特点,为了满足两个方向都能有效 地使用传感器所测得的数据,而且因为滚筒位置无足够空间来安置传感器,故考虑将传感器布置在两个滚筒的中间位置且位于采煤机机身上靠近煤壁的一侧,如图1所示。 图1 动态过载流程图 1顶板;2煤层;3底板;4NGR CIS 探测系统 为了达到可靠地支撑顶板的目的,液压支架对顶板有一定的要求,即切割的顶板起伏不能太大,以免支架与顶板之间的有效接触面积太小。根据国外资料报道和现场调研,一般取4cm 最大台阶较为合适[2],所以为了保证顶板的平滑必须对采煤机滚筒的调节加以限制。 由于煤厚传感器安放在采煤机的中间位置指双滚筒采煤机,采煤机工作时,因滚筒中心轴与传感器水平有一定的距离以及采煤机牵引速度的影响,使得煤厚传感器输出数据具有一定的延时。为了消除这个延时,这里采用上次切割循环测得的煤 厚数据作为本次的给定值,于是就必须把上次切割循环的顶板变化曲线记录下来备用。 另外采煤机是连续运行的,使得传感器不可能作定点测量,而是测取从开始测量到测量结束这段时间中采煤机向前运行距离内的平均煤厚。这就涉及到采样间隔选择的问题。如果间隔太小,增加计算机的内存单元,传感器的测量时间受到限制,不能满足测量的精度;如果间隔太大,难以反映煤厚的真实情况。根据现场调研,在2m 以内顶板不会有较大起伏,故可以选择1.5m 进行一次测量,那么测得的煤厚数据是1.5m 之间的平均厚度,这可以满足系统的要求。 系统工作时,在第1个工作循环中即i 0,采用较慢的牵引速度,由人工操纵调高系统,控制滚筒沿着煤岩分界线运行。每到采样点,把传感器测得的数据转换成煤厚代码存储起来备用,作为表明滚筒处于理想工作位置时的参考信号。从第i 1i 0,1,2,n 个工作循环开始由微机控制调高系统,存储本次煤厚并且跟踪上一次煤厚,通过控制器的运算进行滚筒高度调整。2 滚筒调高控制系统的组成 在采煤机调高控制系统中,精度要求达到厘米级即可,而且滚筒高度调整并不频繁,因此对于整个系统的设计只需合理地选择各个元件,再加上校正装置,保证稳定地工作和适当的精度就能满足要求。本系统的方框图如图2 所示。 图2 调高控制系统方框图 2.1 煤厚传感器 煤厚传感器是以75mm 75mm 碘化钠闪烁晶体为探头的C 射线探测器,它利用天然C 射线进行测量,对于井下操作人员及工人来说,不存在对放射源的防护问题。2.2 数字控制器 1系统传递函数伺服系统的开环或闭环传递函数可以从制定好的系统方框图中求出,如图3所示。而系统方框图可以根据简化、变换、整理后的系统动态方程绘制出来,也可以通过在系统原理图的方框中填入系统各组成部分或元件的传递函数而 推导出来。在后一种方法中,系统动力机构的传递 函数可以参照典型例子或有关专著写出,伺服阀和一些元件的传递函数可以从样本中查到。通常对传感器、放大器等元件的动态特性都略去不计,只把它们作为比例环节处理[2]。 图3 系统方框图 经查得到该电液伺服阀是一个二阶振荡环节,油缸是一个积分环节加一个惯性环节,而且电液伺服阀含有一个非线性环节,它具有死区和饱和两种非线性,其传递函数如下[2] G s 0.1409533 16.36610-3s 2.8110-5s 2 1 s10.067s 所选位移传感器放大倍数K 40.027V/cm,油缸位移按050cm 计算,A/D 转换要求输入电压为05V,则 K 25 500.0273.7 电液伺服阀最大电压值为9V,为提高前向通道放大倍数,又不致使控制器输出过小,此处取K 1K 330。 在选取了K 1、K 2、K 3、K 4值之后,经简化并把系统中的非线性环节提到控制器后,则系统的方块图如图4所示。 图4 简化后的系统方框图 线性部分G c s 为 G c s G sK 1K 3 0.422857 s 10.067516.36610-3s 2.8110-5s 2 因G c s二阶环节的时间常数T 0.005s和惯性环节的时间常数T 0.067s相比可忽略,故线性部分G c s 为G c s 0.422857 s10.073366s 4.546s 20.1883s 3 5.76ss 13.63 2采样周期采样周期是计算机控制系统的重要参数,它直接影响系统的性能和成本。确定采样周期总的原则是在满足主要性能要求条件下,选 72004年第1期张俊梅等基于单片机的采煤机自动调高控制系统 取尽可能低的采样频率。 由于采煤机调高控制系统属于流量控制,因而选取T 01s 。 3数字控制器的设计综合考虑本系统采样周期较长,含有非线性因素等,此处采用变放大系数法来设计数字控制器。将数字控制器与非线性元件合为一个整体,并视为具有可变放大系数的放大环节,记为D-N 环节,其放大系数为K k ,K k 的数值与非线性元件的特性有关。 在任意采样时刻kT 0 k 0,1,2,,放大系数K k 、D-N 环节的输入m 与输出m 2间的关系可表示为 m 2kT 0K k m kT 则采用变放大系数法求得数字控制器的脉冲传递函数D z 为 Dz M 1z M z 0.30.293z -10.378z -2 0.40.282z -10.157z -2 0.750.7325z -10.945z -210.705z -10.3925z -2 3 液压组件的选择 滚筒高度调整微机控制系统是附加给采煤机的一个控制功能,不应影响其原有的控制逻辑。因此液压组件的选择应以原有采煤机上的液压组件为基准。 液压源及油缸采煤机上的液压源及油缸有待改进。 电液伺服阀选用QDY1型电液伺服阀,其控制线圈电阻为308;额定电流为300mA;最大控制电压为9V;允许最大电流为450mA;灵敏度0.5。 采用具有正负输出的GF-10型功率放大器,输出的最大电压为10V,最大电流为1A,能适应电液伺服阀的要求。 4 硬件系统组成及工作原理 采煤机调高控制系统的控制硬件框图如图5所示。本控制系统核心器件为MCS51系列8031单片机,Intel8031是8位微控制器,该芯片集成了1个8位CPU 、256个RAM 单元、2个16位定时器/计数器、1个全双工串行口、5个中断源,兼容性强,软硬件资料丰富,应用非常广泛。在本系统中,8031单片机根据煤厚测报模型和数字化控制器来完成数据 处理及给定与数字控制器的实现。 图5 硬件系统组成原理图 1A/D 转换 由于位移传感器的输出量是模拟量,而单片机所能处理的数据是数字量,所以需将模拟量进行A/D 转换。本系统选用ADC0809八位A/D 转换器,其最大不可调误差小于1LSB,每一通道转换时间大约为100L s 。模拟通道地址的译码输入A 、B 、C 由P0.0P0.2提供,因为ADC0809具有通道地址锁存功能,所以P0.0P0.2不需经锁存器可直接接入A 、B 、C 。另外在系统中把ADC0809的引脚ALE 与START 连接起来,使得在ALE 信号的前沿写入地址信息,紧接着在其后沿就启动模数转换。 2D/A 转换 由于电液伺服阀的输入量为模拟量,故需将单片机输出的数字量经过D/A 转换成所要求的模拟量。本系统选用DAC0832数模转换器,由于其具有数字量的输入锁存功能,故数字量可以直接从8031的P0口送入。另外由于0832为电流输出型D/A 转换器,要获得模拟电压输出时,需要外加转换电路。本系统采用两级运算放大器组成模拟电压输出电路。 由于伺服阀的输入端信号为双极性,故引出信号的输出为5V 电压。 3键盘/显示 本系统需要进行测量C 射线强度与测量煤厚的功能转换及数据显示,因此要进行键盘和显示的扩展。由于8031可直接使用的I/O 口线很少,故采用扩展I/O 口来构成行列式键盘。采用8155并行扩展接口芯片构成6位LED 显示器和44行列式键盘电路。 键盘采用44行列式键盘构成16个键10个数字键和6个功能键。列输入由PA 口提供,行输出由PC0PC3提供。按键设计在行、列线交点上,行、列线分别连接到按键开关的两端。行线分别通过5.1k 8的上拉电阻接到5V 电压上,保证按键断开时被钳位在高电平状态。 4软件设计 在设计主程序时,主要要考虑程序的初始化过程即堆栈的开辟、各子程序模块的存放起始地址、 8 工矿自动化2004年2月 图6 主程序框图 相互之间的衔接及参数传递等问题。主程序的设计思路为开始显示/请按提示符功能键0,等到正确按下所要求的功能键之后进行定时计数处理,最后计算对应的煤厚并显示,主程序框图如图6所示。 5 结语 本文所设计的数字控制器为采煤机自动调高系统建立了控制模型,以单片机为核心的控制系统经验证能很好地预测煤厚和控制滚筒高度。 参考文献 [1] 秦剑秋.自然C 射线煤岩界面识别传感器的理论建模 及实验验证[J].煤炭学报,1996,5. 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Key words constrol system,linear system,status fault,fault diag nosis,detectability 收稿日期2003-10-26 作者简介何早红1967-,女,湖南郴州人,主要研究方向为电力电子技术与故障诊断理论与系统。 0 引言 文献[14]分别就线性系统故障状态的可检测性进行了研究,但几乎都是针对具体的控制系统。