帶式輸送機控制保護系統(tǒng)的設(shè)計

＊宋 焱

（晉能控股煤業(yè)集團晉圣松峪煤業(yè) 山西 048200）

1.帶式輸送機控制保護系統(tǒng)總體方案設(shè)計

隨著技術(shù)不斷地更新迭代，現(xiàn)在的微處理器的性能不斷提高，功能不斷擴展，接口日益標準化，編譯也逐漸實現(xiàn)模塊化，使得外圍電路設(shè)計工作變得非常簡單。本設(shè)計選擇ARMCortex-M微處理作為本系統(tǒng)的處理器，該處理器采用CAN總線模式、具有多種接口、可以完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。使用KeiL5完成軟件的開發(fā)。

結(jié)合編譯軟件和處理器的特點，開發(fā)了一套嵌入式帶式輸送機控制保護系統(tǒng)。本系統(tǒng)考慮到CAN總線的優(yōu)勢，開發(fā)之初就采用主站、分站的模式，主站位于控制中心，面向整個礦井所有帶式輸送機；分站則位于分散的帶式輸送機上，主要面向所負責(zé)的這一臺帶式輸送機。主站主要完成所有輸送機的指揮調(diào)度，以及各個分站傳輸?shù)男盘柕奶幚砼c及時反饋。分站控制一臺輸送機，完成該輸送機的工作狀態(tài)的信號采集，控制運行，故障報警等功能，將信息及時上傳總站，接收總站反饋的指令，控制帶式輸送機完成相應(yīng)的操作。

2.硬件設(shè)計

(1)主站硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)帶式輸送機集中調(diào)度、分散控制、信息反饋、斷電保護的功能，完成了主站硬件接線的設(shè)計，具體如圖1所示。

圖1 主站硬件框圖

主站的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：高清顯示器、計算機及其配套、CAN模塊、網(wǎng)線及其配套等，主站可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、信號處理、指令下發(fā)等功能。與PLC的編譯方式相比，本系統(tǒng)采用的嵌入式開發(fā)方式語言更簡潔，操作更方便，調(diào)試更靈活，功能更強大。同時CAN串口模式使得通訊距離更遠、信息傳輸穩(wěn)定性更高。

(2)分站硬件設(shè)計

①分站硬件總體架構(gòu)

分站硬件總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 分站硬件總體結(jié)構(gòu)圖

②控制芯片選擇

為了實現(xiàn)最高的性價比，同時能夠滿足惡劣的使用環(huán)境的要求，本設(shè)計最終選擇IAP15W4k 58S4單片機作為控制器，該單片機不僅成熟穩(wěn)定、物美價廉，而且完全兼容了51單片機，工頻最高可達30MHz，此外它的內(nèi)部還集成了時鐘電路，4KB的隨機存儲器，8個A/D轉(zhuǎn)換接口，完全可以滿足使用要求。該單片機還擁有62個輸入、輸出接口，資源充足，完全可以滿足接線需求。

③電源模塊

控制器采用直流18V作為電源，通過穩(wěn)壓器最終轉(zhuǎn)換為3.3V的電壓來為子系統(tǒng)供電，保證各個部分的正常工作。

④輸入/輸出控制電路

本設(shè)計中用到的帶式輸送機的規(guī)格為：三個主電機并聯(lián)驅(qū)動，配以三個閘電極輔助，還有三個噴水電磁閥用來給開采的煤炭進行噴淋，軋輥若干，皮帶一條。各個電機和電磁閥對應(yīng)的控制電路如圖3所示，控制器利用12V的直流弱電完成對各個電閘及閥門的控制，當單片機輸出低電位信號時，動作元件得到信號，根據(jù)編寫的指令控制繼電器工作，帶動電閘閉合，從而實現(xiàn)弱電控制強電，完成對帶式輸送機的 控制。

具體的動作原理是控制器的電信號分別傳遞給2路輸入控制電路和9路的采集電路。其中在輸入控制電路中，配備有連鎖傳感器，通過光電耦合把電器元件金相分離開來。

在9路的采集電路中，主要采集的信號是主電機和閘電極的關(guān)鍵不見得溫度信號，通過該溫度信號可以判斷電機是否正常工作。外部的經(jīng)過處理傳遞給A/D轉(zhuǎn)換口，然后單片機執(zhí)行初始化指令，寄存器記錄A/D轉(zhuǎn)換模式。

⑤通信電路

通信電路分別為RS485通信和CAN總線通信。主站與分站使用CAN總線通信，分站內(nèi)部使用RS485通信。

控制器和顯示器之間采用RS485通訊。為了控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，防止數(shù)據(jù)的丟失，達到自動流控，選用立功科技的RSM3485PHT模塊來作為分站內(nèi)部的通信，其工作電壓3.3V，具有能把芯片內(nèi)部的TTL信號轉(zhuǎn)化為RS485信號的功能。

在主站與分站采用CAN通信時，總線仲裁功能由CAN控制器實現(xiàn)，但是由于所選控制芯片內(nèi)部未整合CAN控制器，于是應(yīng)額外增加CAN控制器和收發(fā)器?？刂破鞑扇CP2515 CAN Controller的型號，能夠通過其SPI接口來傳輸信號。CAN收發(fā)器采取VP230的型號，其工作電壓為3.3V，CAN發(fā)送（CAN_TX）和CAN控制器的TX-CAN接口相連，CAN接收（CAN_RX）和CAN控制器的RX-CAN接口相連，CAN收發(fā)器上的CAN_H和CAN_L和CAN總線相連，實現(xiàn)和輸送機控制系統(tǒng)的通信，最高速率可達到1Mb/s。

(3)顯示器硬件設(shè)計

分站顯示器硬件框圖如圖3所示。

圖3 分站顯示器硬件框圖

分站顯示器需要在顯示屏上實時呈現(xiàn)出輸送帶在運行中的各種狀態(tài)，另外，在發(fā)生意外情況突然掉電時，顯示器也應(yīng)該能夠保存必要的參數(shù)，對此增加了一個具有512B容量的Flash存儲器，顯示器可通過SPI接口相連。顯示終端選擇分辨率320×480的4英寸LCD顯示屏，通過STM32的FSMC（靈活的靜態(tài)存儲控制器）接口傳輸數(shù)據(jù)，LCD接口的1腳（LCD_CS）與FSMC_NE1相連。

3.軟件設(shè)計

主站既需要能夠通過邏輯運算控制分站傳輸數(shù)據(jù)，又要求能夠完成對數(shù)據(jù)的處理并實時的顯示，有極其重要的作用，是完成控制輸送機的主要部分。分站所對應(yīng)輸送帶的運行數(shù)據(jù)會實時發(fā)送給主站，主站在接收后需要對其進行分析處理并在顯示屏上顯示相應(yīng)的畫面，工作人員可觀察到相應(yīng)的狀態(tài)信息，發(fā)送對機組的控制命令。根據(jù)所要求的功能，設(shè)置事件名稱和數(shù)據(jù)對戰(zhàn)，把主站內(nèi)部的軟件架構(gòu)模塊化，由系統(tǒng)調(diào)度器根據(jù)要求執(zhí)行相應(yīng)模塊，完成數(shù)據(jù)的傳輸。如下圖4所示。

圖4 主站軟件結(jié)構(gòu)圖

①CAN通信任務(wù)

CAN總線上的數(shù)據(jù)幀采取標準格式，十一位ID，它決定了數(shù)據(jù)幀發(fā)送的優(yōu)先級。ID碼包括主分站編碼(1b)、幀類別編碼(3b)、分站號(4b)，幀數(shù)(3b)。CAN總線通信ID編碼模式如下表1所示。

表1 CAN總線通信的ID編碼模式

(1)主站軟件設(shè)計

主分站編碼表示該消息屬于哪類終端，編碼分類：

主分站編碼0：主站發(fā)送的消息；

主分站編碼1：分站發(fā)送的消息。

幀類別編碼表示該消息的類型，有效編碼：

幀類別編碼000：控制信息/開關(guān)量信息；

幀類別編碼010：參數(shù)信息/模擬量信息。

分站號編碼表示該消息由幾號分站發(fā)送，有效編碼：

分站號000：分站0；

分站號001：分站1；

分站號010：分站2。

當發(fā)送較長數(shù)據(jù)時，可以采用幀數(shù)，如參數(shù)信息和模擬量信息幀。

為了接收數(shù)據(jù)，CAN通信需要具有中斷服務(wù)函數(shù)，而為了完成對數(shù)據(jù)的處理，仍需具有CAN處理任務(wù)。

CAN通信中，中斷函數(shù)把接收到的信息按照一定的排列存儲進數(shù)組中。CAN處理任務(wù)一直對數(shù)組進行監(jiān)控，數(shù)組為空時，不對數(shù)組進行處理，數(shù)組非空時，處理任務(wù)隨即解析數(shù)組中的信息并對解析后信息進行存儲。

②鍵盤輸入任務(wù)

系統(tǒng)為了能夠符合目的運行，仍有參數(shù)需要工作人員進行手動輸入，如保護延遲時間、保護連鎖等。給主站增加外接鍵盤設(shè)備，在中斷時，工作人員可通過鍵盤進行輸入?yún)?shù)進行控制。

③LCD顯示任務(wù)

顯示器可以顯示運行時的各種狀態(tài)及參數(shù)，具有多個交互界面。工作人員可以通過鍵盤設(shè)備輸入相應(yīng)指令來控制LCD更換顯示界面。

④以太網(wǎng)通信任務(wù)

在帶式輸送機保護系統(tǒng)中，主站作為一個服務(wù)器，可以運行以太網(wǎng)服務(wù)程序，執(zhí)行TCP/IP協(xié)議，接收以太網(wǎng)請求，傳輸必要的信息。

(2)分站軟件設(shè)計

分站主要分為兩部分，一是分站的控制器部分，二是分站的顯示器部分。由于控制輸送帶時要求較高的配合且過程較為復(fù)雜，所以控制器進行分任務(wù)控制，主要包括輸出執(zhí)行和信號檢測兩大部分。而分站顯示器需要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的顯示。下圖5為設(shè)計的分站軟件流程。

圖5 分站軟件流程圖

如圖5可知，信號檢測是輸出執(zhí)行的基礎(chǔ)，輸出執(zhí)行是信號檢測的目的，兩者相互聯(lián)系、互相輔助。信號檢測中需要一系列基礎(chǔ)工作，完成對按鍵信號、開關(guān)量信號及模擬量信號的檢測，為下一步的輸出執(zhí)行任務(wù)給出相應(yīng)的參數(shù)信息。在系統(tǒng)進行啟動時，首先初始化輸入輸出設(shè)備，隨后信號檢測服務(wù)進行工作對各種參數(shù)進行判斷是否合適，如果檢測中發(fā)現(xiàn)問題，則及時對設(shè)備進行停止程序并輸出語音“檢測錯誤，請立即檢查”，如果滿足條件，輸出語音“輸送帶即將啟動，請您注意安全”，隨后逐漸啟動電機和電磁閥。運行中實時檢測的結(jié)果出現(xiàn)問題時，檢測任務(wù)會發(fā)出信號告知輸出執(zhí)行任務(wù)。

輸出執(zhí)行任務(wù)接收檢測任務(wù)的信號，再進行邏輯判斷，如果滿足運行的條件，其相應(yīng)控制的電機和電磁閥等設(shè)備就會開始運行，如果不滿足運行條件，對設(shè)備不進行啟動或停止。

顯示器和控制器部分進行通信傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對輸送帶狀態(tài)的實時顯示。本文中采取RS485通信方式將工作參數(shù)狀態(tài)實時傳輸給LCD顯示器。

4.應(yīng)用測試

在晉能控股煤業(yè)集團某礦對該帶式輸送機控制保護系統(tǒng)進行了應(yīng)用測試，應(yīng)用該系統(tǒng)后，帶式輸送機不再出現(xiàn)皮帶跑偏以及撕裂故障，經(jīng)過長達半年的應(yīng)用測試，并詳細記錄了皮帶運輸機的故障頻率，主要部件的損壞情況以及監(jiān)控系統(tǒng)的運行的穩(wěn)定可靠性等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示新設(shè)計的帶式輸送機控制保護系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)皮帶運輸機控制系統(tǒng)，更能實時跟蹤監(jiān)測皮帶運輸機運行情況，第一時間發(fā)現(xiàn)皮帶運輸機運行安全隱患，應(yīng)用該新型保護系統(tǒng)可使帶式輸送機故障頻率降低35%，生產(chǎn)效率提高40%，且在半年內(nèi)該保護系統(tǒng)從未出現(xiàn)過故障，更好的保障皮帶運輸機的安全連續(xù)穩(wěn)定運行，取得較好的應(yīng)用效果。

5.結(jié)語

本文對帶式輸送機的工作流程進行了分析，由于PLC控制器成本高、通信性能低等制約，選擇STM32嵌入式控制器對控制保護系統(tǒng)進行了設(shè)計，不僅具有PLC控制器的所有功能，而且成本更低，通信性能更強，在實際應(yīng)用測試中表現(xiàn)十分可靠。在硬件方面，增加了從輸入到輸出的保護手段，在軟件方面，利用中斷輸入實現(xiàn)更有效的輸入，在控制方面，模塊化設(shè)計不僅降低了設(shè)計的復(fù)雜性，而且更加方便控制。在井下實際生產(chǎn)后表明該系統(tǒng)的設(shè)計是成功的，能夠替代傳統(tǒng)的PLC控制，在其他方面還要更優(yōu)。如果在以后的使用中可以對硬件也進行模塊化，則將具有很好的互換性。