基于ARM的礦用帶式運(yùn)輸機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

周建中，陳代偉，王 雷，顧寄南，徐軍霞，楊 治，姬 偉，謝娟娟

ZHUO Jian-zhong1, CHEN Dai-wei1, WANG Lei1, GU Ji-nan2, XU Jun-xia2, YANG Zhi2,JI Wei2, XIE Juan-juan2

（1. 鎮(zhèn)江中煤電子有限公司，鎮(zhèn)江 212016；2. 江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

帶式輸送機(jī)在礦井地面運(yùn)輸系統(tǒng)、礦山的井下巷道、選煤廠采礦場(chǎng)中被廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)的運(yùn)行效率與安全性直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的膠帶機(jī)綜合保護(hù)器多采用以可編程控制器、單片機(jī)、模擬電路和繼電器構(gòu)成的保護(hù)裝置作為核心的控制裝置，這種控制裝置具備綜合保護(hù)、集中控制等功能，運(yùn)行安全可靠、安裝方便。但僅僅實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制無(wú)法滿足更高的需求，而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)響應(yīng)才具備更多的實(shí)際意義。本文提出了一套基于ARM的帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)打滑、超溫灑水、堆煤、急停、跑偏、撕裂等保護(hù)，通過ARM的快速處理能力，可實(shí)現(xiàn)性能完善且復(fù)雜的保護(hù)方式，大大提高了生產(chǎn)效率的同時(shí)，控制器具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)能力和歷史數(shù)據(jù)記錄功能，支持開放式的通訊協(xié)議，是一種安全可靠的監(jiān)控裝置。

1 帶式輸送機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井下煤礦皮帶機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。其下位機(jī)采用Philips公司推出的LPC2132CPU微處理器為運(yùn)算核心的ARM智能控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)采集煤礦井下皮帶機(jī)的開停狀態(tài)、皮帶運(yùn)輸機(jī)的堆煤煤位信號(hào)、皮帶運(yùn)輸機(jī)的打滑及超速速度信號(hào)、皮帶運(yùn)輸機(jī)巷道的煙霧濃度信號(hào)、皮帶運(yùn)輸機(jī)主滾筒的溫度信號(hào)、皮帶運(yùn)輸機(jī)的皮帶跑偏信號(hào)、皮帶運(yùn)輸機(jī)的張緊度信號(hào)等參數(shù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，自動(dòng)采取相應(yīng)的措施（斷開輸送機(jī)的控制電路、超溫灑水、對(duì)皮帶進(jìn)行張緊等保護(hù)）及發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)給各種保護(hù)裝置?？刂破髋c外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)主要由芯片的GPIO口進(jìn)行脈沖和高低電平的發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、超溫灑水、電機(jī)開停、張緊裝置的控制；系統(tǒng)外接采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-485總線通訊接口，通信協(xié)議采用MODBUS標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，上位機(jī)只需具有相同的通訊接口并采用相同的通信協(xié)議就可以與該控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

智能控制模塊主要是以LPC2132微處理器為運(yùn)算核心，含有模擬量、數(shù)字量采集，傳輸、存儲(chǔ)、聲光報(bào)警、控制、界面顯示等功能模塊，LPC2132是支持仿真和跟蹤的32位ARM7TDM1-STM核的CPU，其處理速度和運(yùn)算能力都滿足控制要求，并帶有4個(gè)通信接口，具有緩沖功能，2個(gè)32位定時(shí)器，1個(gè)10位8路AD轉(zhuǎn)換器共包含16個(gè)模擬輸入，每個(gè)通道轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44us，一個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換器，可提供不同的模擬輸出，47個(gè)5V的GPIO口。64Kb的嵌入式高速FLASH存儲(chǔ)器，128位元寬度的存儲(chǔ)器界面和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位元代碼能夠在最大時(shí)鐘速度下運(yùn)行。較小的封裝和較低的功耗使得LPC2132特別適用于皮帶機(jī)控制系統(tǒng)。以LPC2132為核心的的智能控制器除具有以上性能以外，還具有豐富的資源和通訊設(shè)備的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)與PC機(jī)通訊，完成系統(tǒng)運(yùn)行程序的仿真調(diào)試、固化及進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)顯示。

2 控制器的外圍硬件電路

2.1 差動(dòng)放大器放大倍數(shù)的計(jì)算

本系統(tǒng)中的放大電路采用LM324N加上外部電路作為運(yùn)放。放大電路如圖2所示。

圖2 放大電路

經(jīng)計(jì)算從電橋輸出的電壓差值在100mV之內(nèi)，而ADC的標(biāo)準(zhǔn)電壓在0～5V間，故采用一級(jí)放大電路即可，放大倍數(shù)在40倍左右。

2.2 通信接口電路設(shè)計(jì)

LPC2132具有符合16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通用串行收發(fā)器（UART）接口，通過RS485串行總線發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與下位機(jī)之間的實(shí)時(shí)通信，它的通信接口電路如圖2所示，ARM通訊引腳發(fā)出的電平信號(hào)經(jīng)過光耦隔離后，再通過MAX483芯片將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為485總線的電平。通訊地址設(shè)置為1!250，通訊速率1200!115200kb/s可設(shè)，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議。為防止數(shù)據(jù)在通訊傳輸中失真的情況，在接口電路中加入了光耦隔離。通信接口電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 通信接口電路

2.3 模擬信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

皮帶輸送機(jī)的速度傳感器、溫度傳感器、張力傳感器等出來(lái)的模擬信號(hào)經(jīng)過AD采樣之后送入ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。但是上述傳感器輸出的模擬信號(hào)為固定的4～20mA的電流信號(hào)，需要經(jīng)過專門的調(diào)理電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，以便于AD進(jìn)行采樣。然后將AD輸出的數(shù)字信號(hào)送給ARM進(jìn)行處理。

如圖4所示：A1為傳感器出來(lái)的模擬信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理電路輸出為數(shù)字信號(hào)即A0的值。其中TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值，電壓范圍大完全滿足我們的需求。HCNR201是光電耦合器，在此檢測(cè)系統(tǒng)中，由于實(shí)際工作環(huán)境比較惡劣，采用光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，抑制干擾信號(hào)由采集信道混入控制設(shè)備，從而保證控制系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作。由于光電耦合器中的發(fā)光二極管作為為電流驅(qū)動(dòng)器件，因而應(yīng)以電流環(huán)路的形式進(jìn)行傳送，而且電流環(huán)路是低阻抗電路，噪聲對(duì)其影響的能力相對(duì)較弱，因此改善了電路的抗干擾能力。有時(shí)干擾噪聲雖有較大的電壓幅度，但其能量小，所以只能形成微弱的電流，而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的，只有在通過一定強(qiáng)度的電流時(shí)才能發(fā)光，因此，即使有很高電壓幅值的干擾，也會(huì)因其所形成的電流大小而被抑制掉。能減掉不少的干擾，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起了很大的作用。

圖4 模擬信號(hào)調(diào)理電路

2.4 開關(guān)量調(diào)理電路設(shè)計(jì)

堆煤、急停、跑偏、撕裂都是開關(guān)量，且輔助節(jié)點(diǎn)均為無(wú)源干節(jié)點(diǎn)的開關(guān)動(dòng)作會(huì)干擾系統(tǒng)的正常工作，需要對(duì)開關(guān)量進(jìn)行調(diào)理，圖5為本系統(tǒng)采用的開關(guān)量調(diào)理電路。EXIN1為開關(guān)量的輸入端，開關(guān)量經(jīng)過光耦隔離后送人ARM處理器的I/O口。如圖5示PC817為處理信號(hào)為數(shù)字信號(hào)的單通道光耦。開關(guān)量由EXIN1輸入經(jīng)過光耦之后由USLRCK輸出。而PC817正好處理數(shù)字量，符合本開關(guān)量調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的主要采用嵌入式C語(yǔ)言，在ADS1.2編譯環(huán)境下運(yùn)行，結(jié)構(gòu)清晰，方便升級(jí)和移植。系統(tǒng)工作時(shí)首先進(jìn)行初始化等準(zhǔn)備工作，然后調(diào)制諧波，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，信號(hào)經(jīng)過硬件放大濾波處理后，送入ARM進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。整個(gè)系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)包括主程序和子程序兩個(gè)部分。主程序包括：循環(huán)采集、數(shù)據(jù)處理等工作。子程序包括：參數(shù)設(shè)置程序、中斷服務(wù)程序、延時(shí)程序等，各個(gè)子程序的功能在主程序中得到實(shí)現(xiàn)。軟件流程圖如圖3所示。

圖5 開關(guān)量調(diào)理電路

圖6 系統(tǒng)的軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、故障檢測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)，開發(fā)了一種礦用帶式輸送機(jī)過程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)打滑、超溫灑水、堆煤、急停、跑偏、撕裂等報(bào)警與保護(hù)，避免了壓煤、斷帶等情況的發(fā)生。并且和傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置和基于單片機(jī)的裝置相比，該系統(tǒng)降低了系統(tǒng)功耗，加快了運(yùn)行速度；系統(tǒng)工作靈活、安全可靠，具有故障監(jiān)測(cè)、保護(hù)、語(yǔ)音聲光報(bào)警、設(shè)備啟動(dòng)預(yù)警、等功能；在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留有接口，方便系統(tǒng)升級(jí)。同時(shí)，該研究成果對(duì)其他企業(yè)也有良好的參照價(jià)值，具有重要的研究意義和良好的應(yīng)用前景。

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