基于以太網(wǎng)的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)下位機設計

陳 乾，苗長云，劉 意，姬 靜

(1.天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津 300387；2.西安郵電大學，陜西西安 710100)

0 引言

帶式輸送機是一種現(xiàn)代化生產中的連續(xù)運輸設備，具有運量大、運距遠、能耗小、運費低、裝卸方便、適合于散料運輸?shù)忍攸c，與汽車和火車一起為三大工業(yè)運輸主力工具，已廣泛應用于煤炭、礦山、港口、電力、冶金、化工等領域[1-3]。

由于帶式輸送機安裝調整不當、落料點落料不正、長期在惡劣環(huán)境下使用等原因，產生帶式輸送機故障，一旦發(fā)生故障將造成安全事故，運輸物料的損耗，設備的損壞，人員傷亡，嚴重影響安全生產。為保證帶式輸送機安全、可靠地運行，需要一種帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)。但是，目前帶式輸送機綜合保護系統(tǒng)只能對堆煤、溫度、帶速、跑偏、煙霧、急停、撕裂等進行檢測和保護，系統(tǒng)本身不具有視頻監(jiān)控功能，存在監(jiān)測和控制功能不全、可靠性差等問題；采用CAN或RS485總線結構[4]，存在布線復雜，不易擴展，通信距離近，傳輸可靠性差等問題；不能滿足《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術規(guī)范》(2018)中對帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

文獻[5]中提出的方案雖然具備網(wǎng)絡電話功能，但是缺少控制和數(shù)據(jù)采集功能。文獻[2]中提出的方案采用集成化設計將系列傳感直接連接到核心控制板使得擴展和功能升級困難，同時不具備網(wǎng)絡電話功能，不能與沿線設備通話。針對以上不足，本文在文獻[2]和文獻[5]設計方案的基礎上，提出了帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)路電話、急停開關和監(jiān)控終端的設計方案，本方案采用模塊化設計，具有更大的靈活性，同時具有成本低，傳輸可靠性高、布線方便、易于擴展、通信距離遠等優(yōu)點。設計了網(wǎng)路電話、急停開關和監(jiān)控終端的硬件電路和軟件。制定了下位機與上位機通信協(xié)議，并編寫了其通信軟件。本文所設計的下位機可用于基于以太網(wǎng)的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對帶式輸送機帶速、溫度、堆煤、跑偏、急停等運行狀態(tài)信息的監(jiān)測，以及電話通信和視頻監(jiān)控等功能。

1 基于以太網(wǎng)的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)下位機設計方案

基于以太網(wǎng)的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)下位機包括網(wǎng)絡電話、急停開關和監(jiān)控終端，其組成框圖如圖1所示。

圖1 基于以太網(wǎng)的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)總體結構框圖

網(wǎng)絡電話[5-9]由電源模塊、控制接口、傳感器接口、主處理器模塊、以太網(wǎng)模塊、交換機、擴音通話預警接口、語音采集編解碼模塊、麥克、功率放大模塊和揚聲器組成；通過以太網(wǎng)接入系統(tǒng)，安裝在帶式輸送機的沿線，主要功能包括擴音呼叫、擴音通話、擴音廣播、擴音報警以及數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制功能等，其組成框圖如圖2所示。網(wǎng)絡電話采用STM32F405VGT6 ARM處理器芯片作為主處理器，處理器通過I2S接口與以帶有回聲抑制功能的FM1288芯片為核心的語音采集編解碼模塊相連接，主處理器模塊和以W5500芯片為主的10/100 Mbit/s自適應以太網(wǎng)接口模塊相連，再通過六類網(wǎng)線接到交換機終端。語音采集編解碼模塊將麥克風話筒采集到的模擬語音信號轉換為PCM語音信號，通過I2S接口發(fā)送到主處理器模塊，處理器通過SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給以太網(wǎng)模塊，最后通過以太網(wǎng)將信號傳輸?shù)竭h端，傳輸?shù)搅硪慌_設備的信號經(jīng)過回聲抑制和功率放大后通過揚聲器播放[10-11]。網(wǎng)絡電話設計了控制接口和傳感器接口，控制接口用于開關量控制設備的連接(是否需要控制設備視實際情況而定)；傳感器的信號類型分電阻型、電壓型和頻率型，因此分別設計了模擬信號接口和數(shù)字信號接口，傳感器接口掛接急停、跑偏等傳感器(可根據(jù)實際情況掛接)。傳感器采集的數(shù)據(jù)打包之后通過以太網(wǎng)傳給上位機和監(jiān)控終端。擴音通話預警接口連接擴音通話預警模塊，用于實現(xiàn)擴音通話和預警功能，發(fā)生預警指示燈變紅并發(fā)出警音。

圖2 網(wǎng)絡電話結構框圖

急停開關的設計精簡了網(wǎng)絡電話的設計，其組成框圖如圖2中虛線部分所示。急停開關通過以太網(wǎng)接入系統(tǒng)，安裝在帶式輸送機的沿線，主要負責監(jiān)測輸送帶急停動作(也可增加跑偏監(jiān)測功能)。

監(jiān)控終端由圖形界面、網(wǎng)絡電話和核心交換機3部分組成；圖形界面由電源模塊、主處理器模塊、以太網(wǎng)模塊、交換機、屏幕接口電路、燒寫電路、USB接口電路、Boot模式控制電路、UART電路和LCD顯示器等組成；監(jiān)控終端中網(wǎng)絡電話的傳感器接口掛接了10種傳感器，控制接口掛接4種控制設備，相比于沿線的網(wǎng)絡電話傳感器的監(jiān)測量以及控制設備更全面。監(jiān)控終端組成框圖如圖3所示。監(jiān)控終端通過以太網(wǎng)接入系統(tǒng)，安裝在帶式輸送機的機頭，主要功能包括傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳和顯示、報警處理、控制信號下發(fā)、電機啟停、變頻調速、灑水、急停、擴音呼叫、擴音通話、擴音廣播以及擴音報警等。監(jiān)控終端采用S5P4418 ARM處理芯片作為主處理器，并完成Linux操作系統(tǒng)移植。網(wǎng)絡電話通過核心交換機與主處理器連接，主處理器模塊接收網(wǎng)絡電話上傳的傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理并通過LCD顯示屏顯示，同時主處理器通過核心交換機下發(fā)控制指令到網(wǎng)絡電話，由網(wǎng)絡電話將控制指令發(fā)送到具體的控制設備。核心交換機提供10路10 /100 /1 000 Mbit/s自適應的以太網(wǎng)光口和電口，便于連接視頻監(jiān)控探頭、煤流量監(jiān)測設備等網(wǎng)絡設備。

圖3 監(jiān)控終端結構框圖

2 下位機的硬件設計

2.1 網(wǎng)路電話的硬件設計

網(wǎng)絡電話硬件設計包括3個PCB板，即B1板(核心板)、B2板(采集板)用于連接系列傳感器、B3板(控制板)用于連接控制設備，其硬件連接圖如圖4所示。

B1板由STM32F405VGT6 ARM處理器、FM1288芯片為核心的語音采集編解碼模塊、W5500芯片以太網(wǎng)模塊和LM384功率放大模塊等組成；STM32F405VGT6是基于Cortex-M4架構的32位ARM微處理器，最高主頻為168 MHz，功耗低，成本低，接口豐富；FM1288高性能語音處理器用于消除環(huán)境噪音和聲學回聲，選用該芯片完成傳統(tǒng)數(shù)字電話硬件結構中的語音采集、聲學回聲消除、噪聲抑制和音頻編解碼功能，便于產品的集成；采用10/100 Mbit/s自適應W5500以太網(wǎng)芯片，保障通話的實時性和有效性；功率放大電路選用LM384音頻功率放大器對經(jīng)語音采集和編解碼后的模擬語音信號進行功率放大。

圖4 網(wǎng)絡電話硬件連接圖

B2板根據(jù)需要連接的系列傳感器的信號類型設計了8路模擬量接口和8路數(shù)字量接口，滿足系統(tǒng)需求，網(wǎng)絡電話的B2板掛接了急停按鈕和跑偏傳感器。B3板連接的控制設備均為開關量，因此設計了8路數(shù)字信號量的控制接口，而可根據(jù)需求掛接控制設備。網(wǎng)絡電話采用模塊設計的方式易于擴展和修改。

2.2 急停開關的硬件設計

急停開關為沿線小型設備，硬件設計是網(wǎng)絡電話設計的精簡版，設計分為2個PCB板，即B1板(核心板)、B2板(采集板)用于連接傳感器，急停開關的B2掛接急停按鈕，其硬件連接圖如圖4中虛線所示。急停開關和網(wǎng)絡電話選用同款處理器芯片和網(wǎng)卡芯片。相關介紹參見2.1節(jié)。

2.3 監(jiān)控終端的硬件設計

監(jiān)控終端由圖形界面、網(wǎng)絡電話和核心交換機3部分組成；圖形界面的硬件設計選用ARM Cortex-A9 S5P4418四核處理器，同時該處理器也是整個監(jiān)控終端的主處理器，該芯片CPU頻率為1.4 GHz，支持千兆網(wǎng)MAC，支持SPI、I2S等多種協(xié)議，支持Linux操作系統(tǒng)移植，可以在-25～+80 ℃環(huán)境中穩(wěn)定運行，能夠使系統(tǒng)的設計實現(xiàn)低成本、低功耗、穩(wěn)定性高、實時性好等特點。帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)選用RTL8211千兆網(wǎng)卡采用工業(yè)以太網(wǎng)通信的通信方式，它具有系統(tǒng)間互相操作性、速度快、標準一致、傳輸速度快、傳輸距離遠等特點。顯示模塊選用10.1英寸LCD顯示屏，分辨率為1 024×600，設計為HDMI接口能發(fā)送和接收音頻和視頻信號，由于音頻和視頻信號采用同一條線材，極大簡化系統(tǒng)線路的安裝難度。LCD、主處理器和網(wǎng)卡的硬件連接圖如圖5所示。網(wǎng)絡電話硬件設計見2.1節(jié)。

圖5 LCD、主處理器和網(wǎng)卡的硬件連接圖

3 下位機軟件設計

3.1 網(wǎng)路電話的軟件設計

網(wǎng)絡電話的軟件選用C語言開發(fā)，以STM32F405VGT6處理器為核心，上電后初始化系統(tǒng)硬件資源，包括時鐘系統(tǒng)、I2S接口、UART接口、以太網(wǎng)MAC接口、SPI接口等，隨后初始化W5500，設置網(wǎng)絡參數(shù)。通過UART接口發(fā)送配置信息給FM1288，使FM1288正常工作。主循環(huán)中處理被叫和呼叫任務，將近端語音通過以太網(wǎng)發(fā)送至目標機，同時播放目標機語音。

網(wǎng)絡電話的基本控制包括傳感器數(shù)據(jù)采集、預警、控制信號輸出和擴音廣播，其控制基本流程圖如圖6所示。

圖6 控制基本流程圖

3.2 急停開關的軟件設計

急停開關的軟件設計平臺和開發(fā)語言同網(wǎng)絡電話相同。以STM32F405VGT6處理器為核心，上電后初始化系統(tǒng)硬件資源，包括時鐘系統(tǒng)、UART接口、以太網(wǎng)MAC接口等，隨后初始化W5500，設置網(wǎng)絡參數(shù)，接入系統(tǒng)，負責控制帶式輸送機急停。

3.3 監(jiān)控終端的軟件設計

監(jiān)控終端中圖形界面部分的軟件設計是基于Linux操作系統(tǒng)，在VMware上安裝Ubuntu16.04，同時在Ubuntu16.04上安裝Qt Creator程序開發(fā)平臺，選用C++語言對圖形界面進行開發(fā)。Qt Creator是跨平臺的Qt IDE，Qt提供了一種“信號和槽”機制，使得各個元件之間的通信更加方便[12-15]。

應用程序通過TCP方式與監(jiān)控主機通信，將采集的數(shù)據(jù)進行上傳，同時接收上位機控制指令，執(zhí)行控制動作，實現(xiàn)保護?；贚inux操作系統(tǒng)的界面程序流程圖如圖4所示[2]。監(jiān)控終端的網(wǎng)絡電話軟件設計見3.1節(jié)。

4 下位機與上位機通信軟件設計

通信協(xié)議是對數(shù)據(jù)通信方式的規(guī)定，包括數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)位的定義等。各設備間通信采用的應用層信息協(xié)議為數(shù)據(jù)幀結構數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)信息選用1 Byte十六進制數(shù)表示。信息字段定義如表1所示。

表1 信息字段定義

信息字段由節(jié)點類型、節(jié)點編號、包類型和數(shù)據(jù)字段組成，包類型包括傳感器、控制設備、閾值信息。其中節(jié)點類型中監(jiān)控終端定義為0x01H，網(wǎng)絡電話定義為0x02H，急停開關定義為0x03H，節(jié)點編號最多為256個，上位機接收數(shù)據(jù)時包類型定義：傳感器為0x01H，控制設備為0x02H，閾值信息為0x03H，電話廣播信息為0x07H；下位機接收控制指令時包類型定義：控制設備為0x05H，閾值信息為0x06H。

5 實驗與結果分析

在實驗室搭建帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)實驗平臺，實驗平臺由PC機、監(jiān)控終端、網(wǎng)絡電話和急停開關以及系列傳感器組成；PC機通過光纖連接到監(jiān)控終端的核心交換機，網(wǎng)絡電話通過光纖連接到交換機，交換機再通過光纖連接到監(jiān)控終端的核心交換機，急停開關通過光纖連接到交換機，交換機再通過光纖連接到監(jiān)控終端的核心交換機，系列傳感器接入到采集接口。系統(tǒng)上電，建立通信，其組成框圖如圖7所示。

圖7 實驗系統(tǒng)組成框圖

在實驗室中將監(jiān)控終端安裝在帶式輸送機的機頭，網(wǎng)絡電話安裝在輸送機的機尾，急停開關安裝在輸送機沿線。監(jiān)控終端接入電機溫度、速度、縱向撕裂、煙霧等傳感器，網(wǎng)絡電話接入急停按鈕和2組跑偏開關。設置好IP和端口，下位機和上位機成功建立連接，監(jiān)控終端軟件程序運行結果如圖8所示。

圖8 監(jiān)控終端運行結果圖

圖中監(jiān)控終端部分顯示了帶式輸送機機頭監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，監(jiān)測到了跑偏和撕裂數(shù)據(jù)超過了設定的閾值，產生了報警信息，其相應的顯示框變成紅色；當網(wǎng)絡電話2號和急停開關1號成功接入系統(tǒng)后，在沿線設備部分顯示成功接入的信息，網(wǎng)絡電話2號接入的傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)在沿線設備部分顯示，數(shù)據(jù)超過設定的閾值，報警信息用紅色字體顯示，跑偏開關監(jiān)測到輸送帶狀態(tài)跑偏，將報警信息顯示到圖中報警信息部分；按下急停按鈕帶式輸送機停車。圖中正方形表示監(jiān)控終端、圓形表示急停開關、三角形表示網(wǎng)絡電話，正方形、圓形、三角形分別有紅色、黃色和綠色3種狀態(tài)，紅色表示設備不在線，綠色表示設備在線，黃色表示設備有動作。用網(wǎng)絡電話與監(jiān)控終端進行通話，代表相應設備的圖形變成黃色，有通話動作產生。

實驗結果表明監(jiān)控終端能夠完成數(shù)據(jù)檢測功能、故障報警功能、控制指令下發(fā)和執(zhí)行功能，無錯誤顯示情況發(fā)生；網(wǎng)絡電話與監(jiān)控終端進行通信，通話質量良好，話音清晰可辨，揚聲器中未聽到回音，同時網(wǎng)絡電話成功上傳數(shù)據(jù)信息到監(jiān)控終端；監(jiān)控終端、網(wǎng)絡電話和急停開關均能夠實現(xiàn)急停功能。

6 結束語

本文在基于以太網(wǎng)的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)設計方案的基礎上，研制了帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的下位機，包括監(jiān)控終端、網(wǎng)路電話和急停開關。通過實驗表明，本文所研制的下位機可用于基于以太網(wǎng)的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對帶式輸送機帶速、溫度、堆煤、跑偏、急停等運行狀態(tài)信息的監(jiān)測，以及電話通信和視頻監(jiān)控等功能，具有成本低，傳輸可靠性高、布線方便、易于擴展、通信距離遠等優(yōu)點，在煤炭、礦山、港口、電力和化工等領域具有廣泛應用前景。