采煤机变频器自动预警系统设计

王 铭

（大同煤矿集团机电管理处，山西大同 037003）

0 引言

为了实现采煤机数据的收集、数据的传输、工作的实施，需要在统一的通讯协议下，使用物理计量的传感器采集信息，然后通过有线电线进行远距离的输送，这种方法主要依赖于安全报警系统电脑的中央处理器来进行操作，但是只能以只读的方式在显示器上显示，等待工作人员的检查[1]。如今，采煤机有了新的功能——变频安全预警，采煤机的变频安全预警主要是由安全信息的收集、远距离的输送、数据处理与显示这3部分组成，对应安全信息收集系统、远距离输送系统、数据处理与显示系统这3个系统。采煤机温度、振动等数据都是由安全数据来记录的，现场的总线主要是在同一通讯的前提下由远距离输出来传送。而传送后数据的处理与显示主要在监控中心的电脑上由中央处理器等来完成的。

1 预警系统硬件设计

1.1 通讯模块

通讯系统的设计如图1所示，数据的收发机是MAX485，它的主要作用是收集采煤机运行的数据，然后经过RS-485将数据传送。但是在实施的过程中有两个重要的问题需要考虑，一是在数据的传出和接收的时候怎样能保证数据的可靠性和稳定性；二是在数据的输送过程中如果有的设备出现故障，怎样能保持RS-485在使用的过程中保证数据不受影响，顺利到达控制中心，同时确保电路不能出现过载，不能影响整个线路的运行，如果出现意外，将会对系统传送的数据和设备带来不能挽回的损失。

图1 系统通讯原理

1.2 A/D转换模块

通过对采煤机变频器工作环境、安全报警系统对主控机的要求和经济实用型，选择了STC15W4K56S4型单片机当做下位机的主控机，它的运行速度为115 kb/s、内部是由A/D转换器和比较器组成的。它在运行过程中有耗能低、运行速度快等优点，主要是因为顺序比较器在每一次运行的时候把设备输入的电压与A/D转换器输入的电压进行对比后再运行，这一转换的过程是由单片机内部的累加器来运行的[2]。

2 预警系统软件设计

2.1 下位机

为了达到设备变频器的安全预警在数据收集中的要求，主要是由TC15W4K56S4型单片机组成的下位机对设备变频器的温度、振动等物理数据进行收集，从现场总线输出后，通过通讯模块的子程序、数模转换子程序、温度和数据处理的子程序组成的软件系统作用后完成了对变频器安全情况的检查工作。

为了提高预警系统上位机的准确性，通过增加采集、运输、处理等环节的敏感度。并且提出了改进后的设计思路，通过收集温度数据，用均方误差的方法算出离散点，分析其振动能量和信息，图2所示为下位机的结构图。

图2 系统下位机框图

2.2 上位机

设计人员在设计上位机的人机交换界面时，首先为了方便不同级层的工作人员来操作设备并且不受限制，对设备安装了安全预警界面。在系统通电之后，将第一次通过指令校准的系统接口和测试密码的访问参数都设置在相同的时间。在工作人员到达设置这一步骤时使用编号，若是设备需要维修时，高级用户需要获取权限或者联系厂家[3]。为了方便安全人员能够随时查看设备变频器的运行数据，在显示屏上，设备会通过历史曲线将机器运行的一段时间内温度和振动等物理数据进行显示。

3 系统测试

根据设备安全预警系统的设计要求，相关零件的监测主要是为了预警哪一部分的硬件发生了故障，这是硬件调试的主要目的。解决在设计过程中可能出现的问题和电路板在生产过程出现的故障，使它们符合系统设计的要求[4]。

在硬件调试的时候，主要是通过以下几个方面进行的。在生产电路板之前，需要按照功能的设计逐一比较，在完成设备硬件的组装和焊接之后，需要将硬件的原理图、接线图为参考将电气元件进行静态检查，确保集成电路芯片的焊接没有出现问题。随后通过万用表进行检测，按照模块化的测试方向进行测试，确保各个部分的焊接不能出现短路现象，在测试的最后阶段对电板的性能进行检查，根据模块化的思维检查安全预警的子程序是否达到想要的标准。

3.1 通讯测试

为了对采煤机变频器安全报警系统进行测试，通讯测试系统通过使用触摸屏、信号转换器、串口调试助手对Modbus系统进行了数据验证[5]。通讯测试系统主要是以Modbus为基础然后在上位机的触摸屏上设置数据与程序，经过数据传输系统发送到下位机单片RS-485。通讯测试系统的原理如图3所示，它主要是通过通信参数，将串口调试收集到的数据处理后显示在大屏幕上，并且与单次检测到的数据进行对比从而完成对系统的检查[6]。

图3 通讯测试原理图

3.2 A/D转换模块

实验板A/D转换的稳定性和准确性是由计算机、串口调试器、串口调试器通讯电缆等一起实现的[7]。在设备运行的时候，为了增加数模转换的准确性和稳定性，主要是通过减少外部的测试电位器对单片机数模接口的脉冲来实现的。

通过测试发现，当电位器的输出电压小于等于5 V时，设备对数模转换器有16次的累加，其中最大的变换数为8，而误差控制在0.04%以内，但是在单片机内置的数模转换器为10时，数据小于等于0.12%[8]，而AD的最大变化数为20。

4 结束语

本文对传统采煤机变频器在运行过程中的运行环境和发生意外时的报警系统进行了一系列的分析，明确了需要改进后的采煤机变频安全预警系统应该有以下几个功能：数据的收集、远程的监控、实时通讯等。同时也要对温度、振动等一系列物理数据也要进行记录。除此之外，该系统也要包含模块化设计的要求，使用RS-485达到现场设备采集传送的要求后，使用前端布置的方法达到通讯电缆的简便化。同时，在不同的环境下，不同类型的数据传输也要达到处理标准，若环境艰苦的时候，可以选用容量大、处理速度快、集成度高的STC15W4K56S4当做下位机的指挥中心来进行下位机系统的实施。随后，使用MODBUS等系统来检查设备的通讯功能、AD转换功能，结果发现，当矿井下面环境恶劣、工作步骤繁杂时采煤机的变频安全预警系统的作用不能使用时，如果通过前端温度、振动等信号的数据来收集，并且使用RW-485的设备来进行运输，发现它有稳定性强、运输速度快等优点。