絞車提升信號系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用

王 敏

(山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司 東曲煤礦，山西 古交 030200)

0 引言

絞車是煤礦井下運輸系統(tǒng)的一部分,用于井上與井下或各工作面之間運送人或物料,是保障煤礦安全生產(chǎn)和煤礦生產(chǎn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司東曲煤礦副井提升系統(tǒng)采用JKMD-5.7×4落地式多繩摩擦式提升機,在實際運行中存在如下問題:①通訊抗干擾能力差,采用的RS485通訊在井下狹小有限空間內(nèi)易受煤壁、支護金屬材料屏蔽以及大功率電力電子器件電磁干擾,會出現(xiàn)通訊突然中斷現(xiàn)象;②遠距離傳輸能力差,且遠距離傳輸時存在音質(zhì)差、失真現(xiàn)象;③信號傳輸實時性差,為單主從響應(yīng)通信,信號應(yīng)答存在滯后現(xiàn)象。本文針對原絞車提升信號系統(tǒng)存在的問題,對其進行優(yōu)化設(shè)計,滿足絞車實際工況使用要求,達到安全、穩(wěn)定、高效運行的目的。

1 絞車提升信號系統(tǒng)總體優(yōu)化方案

絞車提升信號系統(tǒng)優(yōu)化方案需滿足以下3點要求:①抗干擾能力強,穩(wěn)定性、可靠性高,當某一通訊節(jié)點發(fā)生錯誤時能使其自動脫離而不影響其他節(jié)點通訊;②遠距離傳輸能力強,通訊距離需大于1 500 m;③通訊實時性高,語音信號清晰、音質(zhì)好、不失真。圖1為絞車提升信號系統(tǒng)優(yōu)化方案框圖,利用CAN總線通訊將布置的絞車房信號站、井口信號站和水平信號站組成CAN總線通訊局域網(wǎng)[2,3],將絞車提升信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送至STM32控制板進行數(shù)據(jù)處理、分析和控制,同時將數(shù)據(jù)發(fā)送至人機交互平臺進行顯示。

圖1 絞車提升信號系統(tǒng)優(yōu)化方案框圖

絞車房信號站位于絞車房內(nèi),完成絞車工作方式信號(提人信號、提物信號、檢修信號)、工作執(zhí)行信號(上行、下行、慢上、慢下、急停、停車)的顯示、記錄并執(zhí)行緊急制動指令。井口信號站位于主副立井井口,完成絞車控制信號的檢測、記錄、存儲和中轉(zhuǎn)發(fā)送,同時可進行語音報警。水平信號站位于主副井各水平高度的信號臺,根據(jù)主副井實際情況并綜合考慮通訊距離決定水平信號站個數(shù),完成控制信號的發(fā)送、記錄、存儲及顯示。

2 CAN總線通訊電路

將原絞車提升信號系統(tǒng)中的RS485通訊替換為CAN總線通訊,其硬件電路如圖2所示,選用TJA1050芯片進行電平轉(zhuǎn)換,以滿足CAN總線電平連接STM32電平的要求。

圖2 CAN總線通訊電路

為達到遠距離輸出的目的,根據(jù)通訊傳輸距離,終端阻值(圖2中的R43)在118 Ω～130 Ω之間選擇;同時選用抗干擾能力強的CAN總線通訊專用雙屏蔽層的雙絞線,應(yīng)用總線型拓撲結(jié)構(gòu)的差分信號傳輸模式。

為達到抗電磁干擾的目的,在通訊線兩端布置EPCOS-B82793雙向濾波器,以消除CAN總線通訊的共模電磁干擾[4,5]。選用ESD101浪涌保護器件布置在CAN總線通訊端口,進行靜電釋放和浪涌保護。

為達到絞車提升信號系統(tǒng)語音信號清晰、不失真的目的,選用AMBE-1000、CSP1027專用語音處理芯片對語音信號進行壓縮、編碼并發(fā)送至CAN通訊總線。

3 信號檢測及閉鎖電路

新增絞車提升信號檢測及閉鎖電路如圖3所示,絞車提升信號系統(tǒng)的I/O接口板與絞車提升電控系統(tǒng)的安全回路相連,通過五組繼電器實現(xiàn)信號閉鎖。當絞車提升系統(tǒng)發(fā)生緊急狀態(tài)并拍下“急停”按鈕發(fā)送急停信號后,與“急?！毙盘栂噙B的繼電器能夠及時切斷絞車安全回路,實現(xiàn)緊急制動停車。

圖3 絞車提升信號檢測及閉鎖電路

4 絞車提升信號軟件系統(tǒng)優(yōu)化

絞車提升信號軟件系統(tǒng)主要完成STM32控制芯片的初始化、信號檢測、信號傳輸、CAN總線通訊連接的建立和維護及語音報警等功能。在Windows10操作系統(tǒng)中基于Keil MDK開發(fā)平臺,采用C語言進行絞車提升信號系統(tǒng)的程序編寫及調(diào)試[6]。絞車提升信號系統(tǒng)主流程核心模塊為電壓AD檢測、信號檢測以及語音通話三個模塊。

(1) 電壓AD檢測模塊用于監(jiān)測絞車提升信號系統(tǒng)的CAN總線式拓撲結(jié)構(gòu)的總線供電電壓,保證該電壓不低于設(shè)定的電壓閾值。當監(jiān)測到的總線供電電壓低于設(shè)定電壓閾值后觸發(fā)電壓異常報警并經(jīng)CAN總線傳送至STM32控制板。通過STM32的ADC0～ADC5通道進行電壓A/D轉(zhuǎn)換,在一個采樣周期內(nèi)采集并存儲m個電壓數(shù)據(jù)并做算數(shù)平均處理,達到采集精確、減小誤差的目的。

(2) 信號檢測模塊用于主動輪詢?nèi)齻€信號站的工作方式信號、工作執(zhí)行信號并傳送至STM32控制板。

(3) 語音通話模塊用于對絞車提升信號系統(tǒng)中的語音進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼、譯碼并在揚聲器中聽到清晰、音質(zhì)好、不失真的語音信號。

5 應(yīng)用分析

5.1 試驗平臺

在山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司東曲煤礦搭建絞車提升信號試驗系統(tǒng)簡化模型以及CAN總線通訊平臺,利用東曲煤礦的絞車實物系統(tǒng),分別進行CAN總線傳輸速率試驗、終端電阻匹配試驗以及CAN總線傳輸數(shù)據(jù)準確率試驗。

5.2 試驗及數(shù)據(jù)分析

5.2.1 CAN總線傳輸速率試驗

保持與原系統(tǒng)相同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),終端電阻為120 Ω,設(shè)置STM32控制板計數(shù)器時鐘頻率為14 MHz。STM32控制板檢測到CAN總線電平信號由隱性電平轉(zhuǎn)換為顯性電平時開始計時,由顯性電平轉(zhuǎn)換為隱性電平時停止計時,同時利用計數(shù)器累加電平轉(zhuǎn)換次數(shù)。通過STM32控制板內(nèi)置的運算器計算通訊傳輸速率。絞車提升信號系統(tǒng)優(yōu)化前、后通訊傳輸速率對比如表1所示。由表1可知:優(yōu)化后的絞車提升信號系統(tǒng)CAN總線傳輸速率較高,達到了遠距離傳輸?shù)哪康摹?/p>

表1 絞車提升信號系統(tǒng)優(yōu)化前、后通訊傳輸速率對比

5.2.2 終端電阻匹配試驗

設(shè)置不同CAN總線傳輸距離,統(tǒng)計不同終端電阻阻值時的傳輸速率,如圖4所示。終端電阻阻值為120 Ω時為最優(yōu)選,應(yīng)將120 Ω作為終端電阻匹配值的中心范圍。

圖4 傳輸速率與終端電阻阻值匹配曲線

5.2.3 CAN總線傳輸數(shù)據(jù)準確率試驗

設(shè)置傳輸距離為100 m～1 500 m共8種CAN通訊節(jié)點溫度模擬量,步距為200 m。通過檢測CAN通訊節(jié)點處溫度的失真程度,間接衡量數(shù)據(jù)準確率。表2為8種傳輸距離下CAN通訊節(jié)點處實測溫度、理論溫度數(shù)據(jù)。由表2可知:CAN總線通訊距離逐漸增加時,信號的偏差率逐漸加大。在實際應(yīng)用中,需增加CAN中繼設(shè)備,減小通訊數(shù)據(jù)偏差率,增加信號強度。

表2 CAN總線傳輸數(shù)據(jù)準確率對比

6 結(jié)論

(1) 采用CAN總線通訊,根據(jù)通訊距離匹配最優(yōu)終端電阻、使用專用雙屏蔽層的雙絞線,采用差分信號傳輸和總線型拓撲結(jié)構(gòu),提高了絞車提升信號系統(tǒng)的遠距離傳輸能力,提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

(2) 采用EPCOS-B82793雙向濾波器、ESD101浪涌保護器解決了絞車提升信號系統(tǒng)電磁干擾問題。

(3) 采用AMBE-1000專用語音處理芯片和CSP1027模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,解決了絞車提升信號系統(tǒng)語音音質(zhì)不清晰、失真的問題。