基于CAN總線帶式輸送機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)及仿真優(yōu)化

王晶晶

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司， 山西 壽陽 045400）

引言

帶式輸送機(jī)的廣泛應(yīng)用提升了礦井自動(dòng)化生產(chǎn)水平，更為重要的是帶式輸送機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)已成為智能化礦井的一個(gè)重要構(gòu)成部分。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、通信等技術(shù)的進(jìn)步，其已成為集計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和智能傳輸于一體的智能監(jiān)控系統(tǒng)[1]。為了實(shí)現(xiàn)對皮帶速度、皮帶跑偏、一氧化碳含量、煙霧濃度、煤堆、端頭部滿倉和惰輪溫度的在線監(jiān)測以及故障診斷等功能[2-6]，本文基于CAN總線技術(shù)，使用多個(gè)CAN集線器的多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。以巷道溫度為例進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并利用PFautoCAN軟件，驗(yàn)證該監(jiān)測系統(tǒng)可靠性。

1 CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)和目標(biāo)

1.1 CAN總線特點(diǎn)

其一，數(shù)據(jù)通信沒有主從關(guān)系，任何節(jié)點(diǎn)都可以啟動(dòng)與任何其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。通信順序由每個(gè)節(jié)點(diǎn)信息的優(yōu)先級順序確定，并且高優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)信息在134μs通信；其二，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起通信時(shí)，避免優(yōu)先級的高優(yōu)先級不會(huì)導(dǎo)致通信線路擁塞；其三，在通信速率小于5 kb/s的條件下，通信距離可達(dá)10 km；而在通信距離小于40 m的條件下，其通信速率可達(dá)到1 Mb/s；其四，CAN總線傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜。CAN總線適用于大數(shù)據(jù)量的短距離通信或遠(yuǎn)距離小數(shù)據(jù)量，實(shí)時(shí)性要求較高，多主機(jī)多從機(jī)或每個(gè)節(jié)點(diǎn)用于同一領(lǐng)域。

1.2 基于CAN總線特點(diǎn)的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

由于帶式輸送機(jī)運(yùn)輸量大，運(yùn)輸速度快，距離長且操作條件復(fù)雜，環(huán)境差。系統(tǒng)可靠性受環(huán)境影響較大，易受激勵(lì)。根據(jù)帶式輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，在分析現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)急需完善的功能并結(jié)合CAN總線的特點(diǎn)，設(shè)定了監(jiān)測系統(tǒng)的功能：一是通過讀取傳感器中的模擬量可以將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的傳輸給監(jiān)測系統(tǒng)。對于后續(xù)可能增加的外部功能，預(yù)留了安裝接口，具有較好的適應(yīng)性；二是計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面對傳輸?shù)臏y量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并實(shí)時(shí)顯示，具有超限報(bào)警及故障檢測功能；三是基于CAN集線器的使用增加了傳輸速度和通信距離，可實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況中的多種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控；四是具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、備份功能。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

多參數(shù)信號采集、信號傳輸、數(shù)據(jù)分析處理構(gòu)成了CAN總線的分布式多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。

信號采集部分主要是通過傳感器完成數(shù)據(jù)的收集，主要包括：皮帶速度，皮帶偏差，一氧化碳含量，煙霧濃度，煤堆等?？紤]到帶式輸送機(jī)運(yùn)輸物料時(shí)的長距離，將多通道式CAN集線器安裝在道路的集中端口處以完成多參數(shù)信號的收集。CAN子網(wǎng)設(shè)置在不同的位置和段中，CAN主網(wǎng)絡(luò)即多路CAN集成器，與每段之間通過CAN集線器連接。

在信號傳輸部分中應(yīng)用了雙絞線電纜，為了達(dá)到抑制反射的目的，將120 Ω終端電阻設(shè)置在CAN總線的兩個(gè)端部。

數(shù)據(jù)分析處理部分由單片機(jī)組成，完成對信號采集模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示結(jié)果。

如下頁圖1所示為監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，CAN子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為確保設(shè)備滿足防爆、電氣隔離及限流溫度限制的要求，系統(tǒng)選用了MC9S08DZ60型微控制器、KDW127/12型礦用本電源芯片、收發(fā)器TJA1050和智能4通道網(wǎng)橋集線器CANHub-P4。為避免參數(shù)信號受到環(huán)境干擾，搭建了由光電耦合電路、可調(diào)電阻等元器件組成的抗干擾電路，利用CANH和CANL兩者之間的差分傳輸來達(dá)到避免信號受到干擾的作用?？垢蓴_電路設(shè)計(jì)如下頁圖3所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 CAN子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖3 抗干擾電路設(shè)計(jì)圖

以礦井工作點(diǎn)溫度為例，在系統(tǒng)中均由具有本質(zhì)安全外部結(jié)構(gòu)的裝置采集其參數(shù)。其中，礦井工作點(diǎn)溫度的采集選用GWD70型數(shù)字溫度傳感器，其基于熱導(dǎo)原理和熱催化原理，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖5 發(fā)送CAN報(bào)文流程

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1）初始化軟件模塊設(shè)計(jì)。須對CAN控制器內(nèi)的寄存器進(jìn)行初始化，以確保其CAN幀數(shù)據(jù)功能的順利實(shí)現(xiàn)。首先，將處于置位模式寄存器中的第0位修改為復(fù)位模式；其次，設(shè)置時(shí)鐘分頻寄存器、CAN波特率、驗(yàn)收濾波器、總線輸出模式等；最后，對處于復(fù)位模式的寄存器第0位進(jìn)行清除。節(jié)點(diǎn)微控制器MC9S08DZ60可從復(fù)位模式中退出并進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2）節(jié)點(diǎn)發(fā)送CAN報(bào)文軟件設(shè)計(jì)。只有保證MC9S08DZ60內(nèi)部CAN控制器的初始化完成后，才能將CAN消息從每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送。發(fā)送流程如圖5所示，通過讀取狀態(tài)寄存器以判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否處于發(fā)送狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)可用時(shí)，數(shù)據(jù)幀信息被寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并在前一個(gè)任務(wù)發(fā)送完成后加載數(shù)據(jù)到發(fā)送緩沖區(qū)，觸發(fā)發(fā)送請求功能，將CAN消息傳輸?shù)娇偩€。

3）點(diǎn)接收CAN報(bào)文軟件設(shè)計(jì)。MC9S08DZ60型微控制器對總線接收到的CAN信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理。從CAN總線接收到消息后，CAN控制器通過接收過濾器對其進(jìn)行比較，通過后將消息保存到FIFO并設(shè)置狀態(tài)寄存器。通過判斷接收緩沖區(qū)不處于空閑狀態(tài)，從而讀取接收緩沖區(qū)來獲取消息，進(jìn)而釋放緩沖區(qū)。一個(gè)報(bào)文接收完成后，下一個(gè)讀取狀態(tài)寄存器的操作流程將繼續(xù)進(jìn)行，其過程如下頁圖6所示。

3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)方案

以礦井工作點(diǎn)溫度為例，并將其作為研究對象，利用PFautoCAN軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。該仿真軟件由數(shù)據(jù)庫、測量和仿真三個(gè)模塊組成。依據(jù)本監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對礦井工作點(diǎn)溫度所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，編制了相關(guān)的CAN協(xié)議，仿真實(shí)驗(yàn)方案如下頁圖7所示。

圖6 接收CAN報(bào)文流程

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

在仿真實(shí)驗(yàn)過程中，多參數(shù)監(jiān)測模塊分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都是一個(gè)CAN子網(wǎng)，不同的CAN子網(wǎng)與CAN總線之間由多通道CAN集線器連通。供電狀態(tài)下，CAN總線峰值負(fù)載率為15.3%，而后逐漸趨于平穩(wěn)，上下波動(dòng)范圍在3.1%左右，完全適合工業(yè)用途的使用。鑒于CAN子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一致性，選取溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)對象。監(jiān)控一定時(shí)間后，通過改變外界環(huán)境變量（如靠近熱源等方式）測試其響應(yīng)時(shí)間，結(jié)果如圖8所示。從圖8中可知，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠較好地對外部環(huán)境溫度變化作出反應(yīng)，具有快速的響應(yīng)實(shí)時(shí)性，說明本監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性高。

圖7 仿真實(shí)驗(yàn)方案圖

圖8 測試結(jié)果圖

4 結(jié)論

基于CAN總線的特點(diǎn)和技術(shù)設(shè)計(jì)的多參數(shù)模式下的煤礦帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輸送機(jī)運(yùn)行工況中對皮帶速度、皮帶偏差、煙霧濃度、一氧化碳含量、煤堆等多參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障診斷。極大地提升了帶式輸送機(jī)的安全性、可維護(hù)性和智能性。并以礦井工作點(diǎn)溫度為例做為仿真實(shí)驗(yàn)的研究對象，驗(yàn)證了該監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。