基于嵌入式技术的刮板输送机链条张紧控制系统

毕东柱

(北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京100013)

随着综采技术的发展，煤矿对综采工作面机械化、自动化的要求越来越高。工作面刮板输送机正逐步向大功率、大运量和高可靠性方向发展。传统刮板输送机张紧系统多采用手动方式进行调节，但由于链条张力值随负载量大小和时间推移而变化，常常会使链条在运行中处于过松或过紧的状态。过松会造成刮板链在驱动链轮分离点处松弛，甚至发生堆积而导致断链、卡链或断齿等事故;控制的过紧则会增大运行阻力，使刮板输送机功率消耗过大，元件过度磨损。为了保证刮板输送机在不同的负载工作条件下能够正常工作，工作人员必须经常对刮板输送机链条进行手动调节，既增加了工人的劳动强度，又不能实时保护链条处于合理范围之内。本文针对这一问题，研究设计了基于嵌入式技术的刮板输送机链条张紧控制系统。通过该控制系统可以有效地对链条的松紧程度进行监控，及早发现问题，进一步对油缸进行控制，从而调整链条的松紧。

1 刮板输送机链条张紧控制系统的组成

基于嵌入式技术刮板输送机链条张紧控制系统主要由电源、控制器、压力传感器、位移传感器、启停传感器、数据存储盒、液压系统等组成，其结构如图1所示。嵌入式本安控制器是系统控制的核心，主要实现系统控制流程，数据采集，系统配置、人机交互等功能。此系统配置机头和机尾2个控制器，均由1个本安型电源箱供电。其中机头控制器通过启停传感器采集刮板输送机电机的电流信号来判断刮板机是否开启，同时通过CAN通讯通知结尾控制器;控制器通过采集压力和位移信号，结合参数设置来控制液压系统的伸缸或收缸，从而调节链条的松紧程度;当刮板输送机电机启动后控制器每1s通过串口把采集的压力和位移值传送给存储盒，以便日后分析;控制器包含自动控制、手动控制、急停及故障声光报警等功能。

图1 刮板输送机链条张紧控制系统组成

2 嵌入式控制器的设计

2.1 硬件设计

嵌入式控制器硬件主要包括MCU，OLED显示、声光报警、开关量采集、模拟量采集、电磁驱动、CAN通讯、串口通讯、时钟、急停和电源转换模块11个部分。

MCU是嵌入式控制器的控制核心，采用ARM公司的LPC2294处理芯片，主频为70MHz，运行μC/OS操作系统，在windows平台上采用c语言设计刮板输送机链条张紧控制程序。

模拟量采集模块实现对压力传感器、位移传感器和启停传感器的信号采集功能。启停传感器采用GKT－L启停传感器，其安装在机头位置的刮板输送机电机的输出电缆上，当电机开启瞬间启停传感器输出1mA的电流信号，控制器通过模拟量采集模块得到数值，从而判断刮板机是否开启;压力传感器采用GDP40，量程为0～40MPa，其安装在伸缩油缸的活塞腔，位移传感器采用GUC(1200)－X，量程为0～1200mm，其安装在伸缩油缸的推移杆内，控制器通过模拟量采集模块采集油缸的压力和位移数值，从而结合参数和算法判断链条的张紧程序和油缸的位置。

通讯模块包括串口通讯和CAN通讯2个模块。控制器采用NCV7356D/AU5790单线CAN芯片，CAN总线适用于通信距离远，实时性要求较高，各个节点平等的现场中使用。机头控制器通过CAN的标准帧协议把启停传感器的采集结果和本架的压力、位移数据传输给机尾控制器，机尾控制器通过232串行端口把本架控制器和机头控制器的传感器数值连同采集时间传给存储盒，以备日后分析。

急停模块可响应2种急停信号。嵌入式控制器有一个急停按钮，当检测到该按钮按下时，直接切断本架电磁驱动的供电，让本架油缸不再伸缩动作;当急停按钮按下后，控制器通过CAN总线通知邻架控制器，邻架控制器通过急停模块切断其电磁驱动的供电，同样达到不让油缸伸缩的目的。

交互模块包括OLED显示、开关量采集、声光报警3个模块。OLED显示屏用来显示3种传感器的数值以及参数的设定值;键盘采用开关量采集模块来实现，用于控制器的控制和参数的修改;当刮板机的链条处于过紧或过松状态时，控制器进行声光报警。

2.2 软件设计

嵌入式控制器软件设计包括手动控制程序设计、自动控制程序设计、菜单参数设计、数据采集和存储4个部分。

手动控制程序主要有按键操作、传感器采集和显示、电磁阀输出组成。当按下油缸动作按键后，控制器向电磁驱动器发送动作命令，驱动器驱动电磁阀吸合，控制油缸动作;同时控制通过I/O端口。软件流程如图2所示。

图2 手动控制程序流程

自动控制程序是本系统的重点软件设计部分，其控制流程如下:控制器先检测是否为自动控制模式，如果是自动模式，则通过开停传感器检测刮板输送机是否开启;如果没开启则间隔S时间再进行判断，如果已开启，则进行实时监测并控制;先检测位移传感器和压力传感器是否正常，如果不正常则进行声光报警提醒操作人员更换传感器，如果正常则根据自动控制流程进行控制。控制器优先根据参数“行程下限”、“行程上限”、“行程偏移”和实际采集到的位移传感器数据进行判断，如果超出设定范围，进行声光报警提醒并通过组合开关使刮板机停机;如果在设定范围内，控制器再根据参数“压力下限”、“压力上限”、“压力偏移”和实际采集到的压力传感器数据进行判断，控制电磁驱动执行伸油缸或收油缸动作使链条张力达到平衡位置。

菜单参数是结合自动程序的控制流程所需要的关键点设置的参数，其参数内容见表1。

表1 参数列表

数据采集和存储分为数据采集模块和存储模块。其中数据采集采用冒泡排序算法;数据存储采用串口通讯把数据写入PHILIP公司提供的EasyUDisk模块中。

3 现场应用

基于嵌入式的刮板输送机链条张紧控制系统经安装调试后已在石槽村煤矿稳定运行了4个月。井下泵压为31.5MPa，张紧装置调定输出 5.5～6.0MPa，链条每天以2～3mm伸长，并经过了1次截链子操作，在运行期间一直处于稳定状态，未出现卡链或断链情况。相比过去的方式首先使链条的日伸长量减少，延长了截链子的时间，同时避免了由于链条过松卡链造成的停机现象。

4 结束语

实践证明，这套系统能够有效地对刮板运输机的油缸位置进行调整，从而使链条处于正常工作状态，即不会太紧也不会太松，不仅延长了机器的使用寿命，还减轻了工人的劳动强度。该系统的投入使用对煤矿井下自动化、无人化的进展具有积极的意义。

［1］毛 君，吴平稳，张东升．刮板输送机机尾伸缩装置的理论研究 ［J］．起重运输机械，2004(11).

［2］汪爱明，孟国营，李国平，等.刮板输送机伸缩机尾电液控制系统的研制［J］.煤炭工程，2008(1).

［3］刘克铭，徐广明.刮板输送机链条张力测控系统设计 ［J］.起重机械运输，2009(8).