基于FPGA技術的采煤機自供電采集管理探討

侯 鑫

（晉煤集團寺河煤礦二號井，山西 晉城 048000）

0 引言

煤礦采煤機是集機械、電氣、液壓為一體的綜合采煤機械設備，設備所處工作面環境惡劣，經常遭受煤塵、瓦斯、潮濕等影響，而且還會承受來自矸石、煤、機械等巨大載荷沖擊，采煤機很容易受這些外部條件影響而產生故障。若采煤機出現供電故障，必定影響工作面正常生產，最終致使整個礦井停產維修。為此，如何研發出所處井下工作面狹窄空間、環境惡劣的采煤機自供電采集管理系統，在多參量傳感器輔助作用下自動監測采煤機供電參數[1]，確保綜采工作面正常生產，這是目前礦井工作面采煤機自供電采集管理遇見的難題。為了解決礦井面臨的困擾，論文提出基于FPGA技術的采煤機自供電采集管理方案，以期提高采煤機自供電穩定性和安全性，保障采煤機安全、可靠運行，從而提升礦井生產效益。

1 自供電采集管理技術

1.1 供電采集技術

礦井采煤機自供電采集管理，不僅要要考慮采煤機供電系統所處環境，還要確保供電系統輸出功率滿足整個采煤機及其附屬設備系統自身需求，這樣才能有效保障綜采工作面正常生產，提高采煤機系統運行效率。為了掌握采煤機供電參數監測和能量轉換情況，采用供電采集器對工作中的采煤機進行在線監測、收集，該采集器主要由磁電、壓電、摩擦等電磁復合技術組成，結構示意如圖1所示。

圖1 供電采集器結構

煤礦采煤機自供電采集與管理系統包括能量轉換器和電路管理兩個方面[2]，系統通過傳感器采集采煤機及其附屬設備工作時的機械能，機械能傳輸至系統中的復合振動能量轉換器中，在轉換器作用下將機械能轉換為電能。在微弱電量供給下，供電采集器將收集到的能量傳輸至AD/DC轉換端，并由電源管理電路傳輸至下一個環節中進行儲存、管理和分析，經過控制電路作用下，由無線發射結構將有用數據信息傳送至上位機。采煤機自供電采集系統包含多參量傳感器、管理電路、控制電路和數據采集以及信息發射端，采集裝置中的管理電路由轉換器、信息綜合處理器、輸入/輸出電壓管理、功率調控以及備用鋰電池和監測裝置保護模塊。在FPGA控制芯片分析研判下實現對采煤機自供電狀況進行控制和管理。

1.2 FPGA功能特性

FPGA主控芯片不僅同時擁有DSP和單片機高性能數據信號處理技術，而且還具有運行速度快、管腳數量多、內部程序并行運行、內部集成多種軟核等優良特性[3]，FPGA技術綜合了單片機和DSP二者所有性能，能夠完成單片機和DSP功能[4]，FPGA主控芯片如圖2所示。

在采煤機自供電采集管理系統中采用FPGA主控芯片作為控制中心，控制電路負責收集信息并采集，通過無線通訊將信息數據傳送至FPGA主控芯片。信息傳送的方式分為兩種，一種是多通道同步采集傳輸，另外一種是多通道異步采集傳輸，但是針對條件復雜的采煤機自供電監測和管理，需要考慮采集信號所受干擾程度、信息的及時性、功耗較低，易于控制等方面，故采用多通道異步采集傳輸，才能確保FPGA主控芯片采集的精度和控制的準確率。

圖2 FPGA樣本圖

2 采集管理電路設計

采煤機基于FPGA采集管理技術組成的系統結構詳見圖3所示，FPGA采集管理技術主要由四個模塊組成，分別為能源管理、信號采集、無線通訊和主控四個模塊。信號模塊是在溫度、振動等傳感器輔助下采集信息，并將信息發送至接口控制單元（FPGA主控芯片）；無線通訊模塊起傳輸作用，通過藍牙等無線接收、發送裝置實現信息交換；能源管理模塊對主控單元工作提供能量，并執行主控單元采集和管理的命令，下面分別對基于FPGA技術的采煤機自供電采集管理系統能源管理電路、傳感電路和核心模塊電路設計探討。

圖3 FPGA采集技術組成系統

2.1 能源管理電路

基于FPGA技術的采煤機自供電采集管理系統中的能源管理電路工作基本原理如圖4所示，電路中主要分為四部分，分別為換能器、全波整流、儲能網絡和開關電源。換能器作用是將交流與直流相互轉換，全波整流的作用是將換能器中輸出的電能進行整流和穩壓，開關電源主要是提供動力和控制啟停。儲能網絡電路中的C1、C2為儲能電容，S1、S2、S3、S4為模擬開關，由整流穩壓后的電能儲存至該網絡中。若采煤機系統一些細小零件需要臨時供給能量，FPGA芯片控制電源開關閉合，儲能網絡中的模擬開關系統控制電路放電，電容中的電能轉化為穩定的電壓直接輸出直流電供采煤機系統零部件，避免了采煤機零部件因缺電而停止工作，保護了整個采煤系統穩定運行。

圖4 能源管理電路工作原理

2.2 傳感電路

采煤機自供電采集管理系統的傳感電路設計為數字型，該數字型傳感器具有功耗小、可控性強的特點。采集振動信號選擇ADXL345數字型三軸加速度傳感器，該傳感器功耗超低，無工作時功耗只需0.25μW，監測的振動加速度范圍可以在-16g～+16g，而采煤機在綜采期間最大的減速度才為10g，因此從量程來看滿足需求。ADXL345數字型加速度傳感器為核心控制模塊提供了兩種數字訪問接口，即SPI和I2C訪問接口[5]，為了節約布線和盡量減小采集管理系統體積，ADXL345數字型加速度傳感器與FPGA控制芯片的通訊采用12C訪問接口模式。ADXL345數字型加速度傳感器適用性較強，監測加速度精度高，還可以用來監測采煤機傾斜角度，其內部結構、模塊構成詳見圖5所示。采煤機自供電采集管理系統的傳感電路采用ADXL345數字型加速度傳感器可以監測采煤機振動、采掘所受載荷，有利于對采煤機工作期間供電電壓、電流控制提供準確的基礎參數，方便FPGA控制芯片對采煤機自供電管理。

圖5 傳感電路內部構成

2.3 核心模塊電路

采煤機自供電采集管理系統核心模塊電路是整個電路設計的重點，核心模塊電路包括處理器、內涵傳感器、硬件接口、外圍電路等。核心模塊自帶微帶Balun與2.4GHz天線，其作用是高速大量傳輸信息，內涵傳感器與FPGA控制芯片與管腳相連，為芯片高速運算提供參數，微帶Balun是平衡轉換器無線傳輸與單極天線傳輸造成的差異[6]。采集管理系統核心模塊電路集RF射頻收發器和系統可編程flash存儲器，為采集管理系統FPGA控制芯片支持8k byte RAM功能超運算、邏輯判斷和命令執行奠定基礎。可以這樣說，FPGA控制芯片是采煤機監測、調控的大腦，而核心模塊電路則為FPGA芯片心臟。

3 現場運行與實驗

為了驗證基于FPGA控制技術的采煤機自供電采集管理效果，對現場運行的采煤機供電系統進行了測試研究，現場測試如圖6所示。在采煤機工作期間，監測管理系統采用FPGA控制芯片進行調節，分別對采煤機以及附屬設施的加速度、機械振動、電壓、電流、轉速、功率消耗等參量進行了監測，通過傳感器采集到的信息傳輸給FPGA控制芯片，FPGA內處理器對信息甄別、分析后，調控不正常的參數。測試計算上顯示磁電有效輸出電壓范圍為±7V，壓電輸出電壓為±40V，且均為交流電輸出，說明在FPGA控制下采煤機零部件所需的電壓為正常值。

根據煤礦使用反饋，采煤機自供電系統在FPGA芯片管理調控下，供電量穩定，保障了采煤機系統穩定工作，系統故障率大為降低，有利于提高礦井工作面快速生產，改善了采煤機自供電監測和調控短板，為礦井高效生產奠定了基礎，這對其他礦井采煤機穩定供電具有借鑒作用。

圖6 基于FPGA技術對采煤機自供電采集現場運行與測試

4 結 論

1）采煤機自供電采集管理技術。自供電采集管理由采集器完成，而采集器的核心技術為FPGA控制芯片。FPGA控制芯片具有運行速度快、功耗低、精度高等特點，并綜合DSP和單片機的高性能數據信號處理技術。

2）采煤機自供電采集管理系統包括能源管理、傳感和核心模塊電路。能源管理電路為FPGA控制芯片提供動力和穩定電壓電流；傳感電路采集自供電多參量信號，并為芯片提供基礎參數；核心模塊電路分析多參量并作出判斷，調控好采煤機供電需求。

3）現場驗證測試采煤機自供電采集管理效果。測試結果表明采煤機自供電參數供給穩定，工作穩定，故障率顯著降低，達到了管理的預期效果。