基于CAN總線通訊的煤礦用帶式輸送機控制系統(tǒng)設(shè)計

許建紅

（西山煤電集團有限責(zé)任公司官地煤礦運輸區(qū)，山西 太原 030022）

帶式輸送機是煤礦運輸煤炭等的主要設(shè)備，具有運行平穩(wěn)、操作簡單、維護方便的特點。煤礦井下帶式輸送機布置線路較長，是安全隱患較大以及高耗電能的設(shè)備。為提高煤礦生產(chǎn)效率、保證生產(chǎn)安全、節(jié)約電能，研究煤礦用帶式輸送機控制系統(tǒng)具有重要意義。國內(nèi)外對帶式輸送機控制系統(tǒng)的研究主要集中在啟動模式控制、 多電動機功率平衡控制、 帶速與運量匹配控制以及控制系統(tǒng)安全等方面[1-3]。文章將動態(tài)優(yōu)先級CAN 總線通訊技術(shù)引入帶式輸送機主從控制系統(tǒng)，提高帶式輸送機控制系統(tǒng)的實時性、安全性和高效性。

1 總體設(shè)計

煤礦用帶式輸送機控制系統(tǒng)總體設(shè)計基于主從控制系統(tǒng)方案實現(xiàn)，總體設(shè)計框圖如圖1所示。帶式輸送機主站控制器擴展DI 模塊用于接收設(shè)備運行信號、 系統(tǒng)控制模式信號以及限位開關(guān)信號。設(shè)計的帶式輸送機控制系統(tǒng)控制模式分為本地控制模式，用于對設(shè)備進行就地控制，方便單機調(diào)試以及設(shè)備檢修； 自動控制模式為帶式輸送機正常工作時的運行模式，實現(xiàn)一鍵啟停并自動、實時、智能記錄運行時的傳感器參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)；當(dāng)運行過程中設(shè)備發(fā)生故障時，對故障進行記錄并及時停機。帶式輸送機主站控制器擴展DO 模塊用于完成對采煤機以及沿線急停控制，實現(xiàn)與采煤機的聯(lián)動控制并保證帶式輸送機運行安全。帶式輸送機主站控制器擴展監(jiān)控平臺，用于實時顯示帶式輸送機運行過程中的狀態(tài)信息、 傳感器參數(shù)、故障信息等，并可實現(xiàn)帶式輸送機的遠程啟停功能。帶式輸送機分站控制器用于完成對采煤機電動機以及帶式輸送機電動機的變頻器控制，基于CAN 通信模式實現(xiàn)控制器控制指令以及數(shù)據(jù)的傳輸。

圖1 基于CAN 總線通訊的礦用帶式輸送機設(shè)計

2 硬件設(shè)計

硬件主要包括控制器、溫度傳感器、速度傳感器、位移傳感器、變頻器以及急停按鈕、開關(guān)按鈕、隔離柵、繼電器等：

2.1 控制器

主站控制器、 分站控制器都選用CX8050，該控制器的組網(wǎng)能力強，支持TCP/IP、CAN、RS485等多種通信模式；對模擬量、數(shù)字量的處理能力較強，滿足帶式輸送機控制系統(tǒng)時延要求[4-5]。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器選用的型號為SG3-100，該傳感器基于PT100 溫度敏感元件對被測介質(zhì)進行周期性檢測，工作原理如圖2所示。

圖2 溫度傳感器工作簡介

該溫度傳感器為礦用本質(zhì)安全型，其防爆標(biāo)志為Exib；本安參數(shù)：Ui 0.5 V；Ii 5 mA；Ci 0 uF；Li 0 mH，如表1所示。

表1 SG3-100 型溫度傳感器參數(shù)指標(biāo)

2.3 速度傳感器

采用NP33 型速度傳感器，該傳感器可完成對帶速的周期、實時監(jiān)測，通過對輸入的微小信號進行放大處理并輸出4～20 mA 電流信號，完成對帶速的檢測[6-7]，如表2所示。

表2 NP33 型速度傳感器主要性能參數(shù)

2.4 位移傳感器

采用GS471 數(shù)字式位移傳感器，該傳感器使用滾珠軸承式耐磨機構(gòu)，最高分辨率可達10μm，保護等級為IP67，耐振動、耐沖擊，如表3所示。

表3 GS471 數(shù)字式位移傳感器主要性能參數(shù)

2.5 變頻器

選用西門子公司的S-AW1000 變頻器，分站控制器與變頻器以CAN 總線通訊模式完成對電動機的變頻控制。S-AW1000 變頻器支持轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速控制模式，并可以實現(xiàn)電動機的回饋制動，保證帶式輸送機安全、穩(wěn)定，能有效提高帶式輸送機運行效率，達到節(jié)約電能的目的[8-9]。

2.6 監(jiān)控平臺

監(jiān)控平臺用威倫通公司生產(chǎn)的eMt3070B 型人機界面。該人機界面的處理器為32 位的CPU；時鐘頻率為800 Mhz；存儲器有閃存以及RAM，其中閃存和RAM 的大小都為256 MB。eMt3070B 人機界面性價比較高，支持CAN 通信模式[10]，符合帶式輸送機的監(jiān)控平臺的選型要求。該人機界面可通過組態(tài)軟件進行編程。

3 軟件設(shè)計

煤礦用帶式輸送機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計基于TwinCat 軟件平臺，采用ST 語言編程實現(xiàn)。軟件設(shè)計中的通訊模式采用CAN 總線通訊實現(xiàn)，數(shù)據(jù)幀格式由幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC 段、ACK 以及幀結(jié)束組成，如圖3所示。數(shù)據(jù)段長度為0～8 字節(jié)，傳送的數(shù)據(jù)在該字段存儲。根據(jù)帶式輸送機控制系統(tǒng)CAN 總線通訊傳送的距離設(shè)置CAN 總線通訊波特率為250 kbps，采用CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)幀實現(xiàn)。

圖3 CAN 總線通訊協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式

主站控制器與分站控制之間、 主站控制器與監(jiān)控平臺按照圖4所示流程建立CAN 總線連接并完成數(shù)據(jù)處理。當(dāng)系統(tǒng)CAN 總線處理中斷到達后，發(fā)起CAN 總線通訊連接過程。鏈路建立成功后，即可按照約定的通訊協(xié)議對數(shù)據(jù)進行打包、解析操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的傳送。在系統(tǒng)內(nèi)部分配CAN 總線通訊數(shù)據(jù)緩存區(qū)，按照“先進先出”原則對緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)處理完成后及時對緩存區(qū)清零并更新系統(tǒng)狀態(tài)。當(dāng)遇到“急?！薄ⅰ伴]鎖”指令后，按照動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度原則優(yōu)先處理該指令信息，保證帶式輸送機的安全、可靠運行。

圖4 CAN 總線通訊數(shù)據(jù)處理從流程

針對帶式輸送機主站以及從站控制器CAN總線通訊時存在的安全問題，如實時、 優(yōu)先處理“急停”、“閉鎖”指令，引入CAN 總線通訊動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略，如表4所示。指令的ID 值越小，優(yōu)先級越高，如優(yōu)先級由高到底順序為“急停閉鎖”、“控制指令”、“故障報警”、“普通數(shù)據(jù)”，按照該優(yōu)先級順序?qū)νㄓ嵾^程中的數(shù)據(jù)進行處理。

圖5 CAN 總線通訊動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法流程

表4 帶式輸送機CAN 總線通訊指令動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度

4 結(jié)語

基于CAN 總線通訊的煤礦用帶式輸送機控制系統(tǒng)方案通過主從控制設(shè)計實現(xiàn)對帶式輸送機控制的數(shù)字量、模擬量的實時獲取，根據(jù)動態(tài)優(yōu)先級CAN 總線通訊實現(xiàn)對帶式輸送機電動機的變頻控制，實現(xiàn)并保證了帶式輸送機實時、安全、高效運行。該控制系統(tǒng)在官地煤礦進行工業(yè)性試驗，設(shè)備的空載時間降低了28%以上，生產(chǎn)效率提高13%左右，故障/ 事故發(fā)生率下降30%以上，實現(xiàn)了智能化減人，降低了電能損耗。