基于分布式多總線的礦燈智能充電管理系統(tǒng)設(shè)計與測試*

李 敏

(西山煤電(集團)有限責(zé)任公司斜溝礦,山西 呂梁 033602)

0 引 言

作為“礦工的眼睛”的礦燈是煤礦安全生產(chǎn)的重要井下作業(yè)工具，保證礦燈最低連續(xù)正常工作11h，實現(xiàn)礦燈智能化管理，是煤礦管理智能化、信息化的基本需要。礦燈智能充電管理系統(tǒng)是實現(xiàn)礦燈智能化管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測礦燈狀態(tài)，科學(xué)分配管理礦燈，實現(xiàn)礦工信息管理和考勤功能[1]。國內(nèi)外有諸多學(xué)者對礦燈充電管理系統(tǒng)展開一系列研究，如有學(xué)者以STC89C51、BQ2057為主芯片，設(shè)計礦燈充電管理系統(tǒng)，以RS485為通信模式，實現(xiàn)充電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、中繼器模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，實際應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)，該方案數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性差，丟包現(xiàn)象嚴重[2]；有學(xué)者以STM32 DSP芯片為核心設(shè)計了礦燈充電版和監(jiān)控主機，實現(xiàn)礦燈充電和充電狀態(tài)監(jiān)測功能，以無線通信模式進行數(shù)據(jù)交互，實際應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)，該方案易受外部環(huán)境電磁干擾，數(shù)據(jù)傳輸實時性差[3]。針對當(dāng)前礦燈充電管理系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計一種基于分布式總線的礦燈智能充電管理系統(tǒng)，實現(xiàn)礦燈充電管理的智能化、信息化，實現(xiàn)礦燈智能充電與礦工信息、礦工考勤相結(jié)合，優(yōu)化礦燈充電管理模式，目的是提高礦燈的安全性能，科學(xué)智能地管理礦燈和礦工信息，促進煤礦安全生產(chǎn)和信息化建設(shè)進程。

1 存在問題及設(shè)計重點

礦燈充電管理系統(tǒng)存在的主要問題有：①智能化程度低，利用數(shù)據(jù)采集卡采集礦燈充電狀態(tài)的方法復(fù)雜，不適合數(shù)量較大時的礦燈充電管理；②通信可靠性差，采用單一的通信模式常常導(dǎo)致系統(tǒng)通信中斷，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃圆?；③可視可監(jiān)控性能較差，礦燈電池狀態(tài)、充電狀態(tài)無法實現(xiàn)全過程監(jiān)測，人機交互能力較弱[4]。因此，設(shè)計重點為采用模塊化、分層設(shè)計思想，實現(xiàn)可支持較大數(shù)量礦燈充電管理；增強模塊間、層與層間數(shù)據(jù)通信的可靠性、穩(wěn)定性和實時性；實現(xiàn)礦燈充電狀態(tài)的全過程監(jiān)控，提升礦燈充電管理的人機交互能力。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理

礦燈智能充電管理系統(tǒng)設(shè)計采樣分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，由下到上分別為充電柜、CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備、服務(wù)器、監(jiān)控軟件，其中可管理的充電柜為1-N#，N最大值可取255；每個充電柜內(nèi)包含一個控制單元、1～100個充電單元(分為四組)，如圖1所示。充電柜內(nèi)的控制單元與充電單元以RS485模式通信；充電柜與CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備以CAN模式通信；CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備與服務(wù)器以TCP/IP模式通信；服務(wù)器與監(jiān)控軟件以HTTP模式通信。充電柜內(nèi)控制單元控制器周期性采集1～100路礦燈信息，并經(jīng)CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備發(fā)送至服務(wù)器；服務(wù)器對礦燈數(shù)據(jù)進行解析、邏輯判斷后存入數(shù)據(jù)庫，同時將正確數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控軟件進行實時展示。通過監(jiān)控軟件可查看、監(jiān)視礦燈信息，如“正在使用”“正在充電”“充滿”“故障”等狀態(tài)；礦燈使用次數(shù)、充電次數(shù)以及使用該礦燈的礦工考勤信息等。數(shù)據(jù)庫存儲的礦燈充電、礦工考勤等信息支持歷史故障信息查詢、歷史充電信息查詢、歷史考勤信息查詢等。

圖1 基于分布式多總線的礦燈智能充電管理系統(tǒng)設(shè)計框圖

3 硬件設(shè)計

3.1 充電單元硬件設(shè)計

(1) 總體設(shè)計

智能礦燈充電管理系統(tǒng)中充電單元硬件總體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 礦燈智能充電管理系統(tǒng)充電單元硬件總體設(shè)計

核心CPU為STM32F103VET6微控制器。電源電路用于將外接的AC220V交流電源轉(zhuǎn)換為DC12V以及DC5V、DC3.3V，每25個充電單元使用一個SE-600-12開關(guān)電源[5-6]，一個充電單元布置4個。硬件設(shè)計時，采用獨立供電、分路管理模式，保證各供電回路不相互影響。為保證礦燈充電過程安全、穩(wěn)定，設(shè)計在位檢測、開關(guān)門檢測以及電壓、電流檢測電路，當(dāng)發(fā)生過流故障時可發(fā)出聲光報警。同時為顯示、報警需求，設(shè)計字庫芯片驅(qū)動電路、液晶顯示電路、語音驅(qū)動電路等。

(2) RS485通信電路設(shè)計

智能礦燈充電管理系統(tǒng)中充電單元RS485通信電路如圖3所示。

圖3 RS485通信硬件電路原理

選用SN665HVD3082芯片，該芯片通信速率可達1 Mbps，最小功耗為0.3 mA，最多支持256個通信節(jié)點[7-8]。該芯片與STM32F103VET6微控制器的UART4串口相連。SN665HVD3082芯片引腳6、7之間并聯(lián)的120 Ω電阻是為了抑制通信干擾，減少數(shù)據(jù)丟包率。

(3) 充電電路設(shè)計

設(shè)計礦燈充電電路時，需支持錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池充電需求。礦燈充電電路支持恒壓、恒流兩種充電模式，選用XL400-1恒流、恒壓開關(guān)電源，采用PWM控制模式。XL400-1開關(guān)電源輸入電壓為4.5～40 V，通過調(diào)節(jié)0～100%占空比可控制輸出不同的電壓、電流值，實現(xiàn)智能充電。

3.2 控制單元硬件設(shè)計

(1) 總體設(shè)計

智能礦燈充電管理系統(tǒng)中控制單元硬件總體設(shè)計框圖如圖4所示，核心CPU為STM32F103VET6微控制器，負責(zé)礦燈充電信息、礦工信息、礦工考勤信息的接收以及發(fā)送。通過USART2以及USART4兩個串口與RS485通信電路連接，實現(xiàn)對1～100路充電單元的控制；通過USART6實現(xiàn)控制單元地址信息配置，通過USART5實現(xiàn)LED顯示屏控制。

圖4 礦燈智能充電管理系統(tǒng)控制單元硬件總體設(shè)計

(2) CAN通信電路設(shè)計

智能礦燈充電管理系統(tǒng)中控制單元CAN通信硬件電路如圖5所示，選用Philips公司的TJA1050作為CAN總線通信芯片[9-10]，支持CAN2.0 A、CAN2.0 B通信協(xié)議，最高傳輸速率可達1Mbps。CAN總線通信連接建立好并發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)時，狀態(tài)指示燈LED1、LED2會周期性地閃爍為綠色；當(dāng)通信故障時，指示燈為紅色常亮。

圖5 CAN總線通信硬件電路

4 軟件設(shè)計

4.1 軟件總體設(shè)計

礦燈智能充電管理系統(tǒng)軟件總體設(shè)計框圖如圖6所示，包括控制單元、充電單元、監(jiān)控軟件、服務(wù)器單元四部分，綜合應(yīng)用CAN總線通信、RS485通信、TCP/IP通信以及HTTP協(xié)議完成各部分間的數(shù)據(jù)交互。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸要求，分別定義控制單元與CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備間的CAN總線通信協(xié)議、控制單元與充電單元間的RS485通信協(xié)議。

圖6 礦燈智能充電管理系統(tǒng)軟件總體設(shè)計框圖

4.2 充電單元軟件設(shè)計

充電單元軟件系統(tǒng)上電后，首先完成初始化串口、定時器等相關(guān)外設(shè)，然后執(zhí)行初始化流程、正常工作流程。初始化流程即獲取充電單元的地址碼，確認與控制單元內(nèi)部Flash存儲的卡號是否匹配。匹配成功后控制單元發(fā)送地址碼至充電單元并觸發(fā)充電單元進入正常工作流程。地址碼存入定義的整型數(shù)組iAddressCode[i]中，i的取值為1～100，對應(yīng)1#-100#充電單元，充電單元周期性輪詢該數(shù)組，匹配成功后置位標(biāo)志位xSuccess為1，否則置位為0。充電單元成功匹配地址碼后進入正常工作流程，即可完成正常充電并接收監(jiān)控軟件信息。監(jiān)控軟件將設(shè)計好的礦工信息、礦工考勤發(fā)送至該充電柜并完成信息綁定，建立礦工信息、礦工考勤、礦燈充電管理數(shù)據(jù)連接關(guān)系并在液晶顯示屏進行顯示，同時存入Flash。充電單元還需完成礦燈狀態(tài)的辨識、警示信息判斷與顯示以及讀取、保存、判斷充電柜號、充電位號、礦燈電池類型、礦工姓名、礦工部門等信息。

4.3 控制單元軟件設(shè)計

控制單元軟件系統(tǒng)上電后，分別啟動CAN總線數(shù)據(jù)處理線程、RS485總線數(shù)據(jù)處理線程，完成與CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備、充電單元間的數(shù)據(jù)交互。控制單元的程序模塊主要有通信初始化程序、CAN總線數(shù)據(jù)處理程序、RS485總線數(shù)據(jù)處理程序、RS485總線數(shù)據(jù)輪詢程序、CAN與TCP/IP幀轉(zhuǎn)換程序、看門狗復(fù)位程序以及定時器維護程序等。

5 系統(tǒng)測試

5.1 RS485通信測試

搭建1個主機加4個充電單元的RS485總線通信測試方案，供電電源為DC12V，利用總線轉(zhuǎn)接板將主機和充電單元相連并下載程序，設(shè)置RS485通信波特率為115 200 bit/s。采用示波器查看RS485總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的準確性，數(shù)據(jù)起始位為1位低電平+8位數(shù)據(jù)位+1位高電平停止位。RS485_A與RS485_B間電壓差為+(2～6)V時為“1”，為-(2～6)V為“0”。經(jīng)示波器查看，傳送1個字節(jié)時需要的時間為87us，波特率為114 913 bit/s，驗證了RS485通信的穩(wěn)定性。

5.2 CAN通信測試

搭建由6個控制單元組成的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置CAN通信波特率為500 Kbps，供電電源為DC12V。模擬發(fā)送100萬幀不間斷報文，監(jiān)測是否存在丟包現(xiàn)象，進而驗證設(shè)計的CAN總線通信的實時性。在1#控制單元發(fā)送擴展幀0x99 0x00 0x00 0x00 0x01 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08，幀ID由0x0000 0001遞增至0x000F 4240，遞增步長為1，共100萬幀。通過CAN分析儀查看，模擬CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備的PC端接收幀ID 0x0000 0001的時間與接收幀ID0x000F 4240的時間差為277 s，接收的字節(jié)數(shù)為1 300萬字節(jié)，平均發(fā)送一幀數(shù)據(jù)需0.277 ms，滿足礦燈充電管理系統(tǒng)需求且未出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象。

5.3 TCP/IP通信測試

由監(jiān)控軟件至充電單元，測試TCP/IP數(shù)據(jù)幀下發(fā)與上傳的速度與穩(wěn)定性。通過監(jiān)控平臺將礦燈充電柜號由1#改為2#，并點擊“修改”按鈕后經(jīng)服務(wù)器、CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備、控制單元，傳送至充電單元，時間差約為29 ms，充電單元響應(yīng)迅速。

5.4 礦燈充電功能測試

將1#錳酸鋰電池礦燈掛入01～001號充電位進行充電功能測試，最大充電電流為900 mA，現(xiàn)場測試如圖7所示，所屬部門為采煤隊、柜號為01～001的礦燈狀態(tài)為“充電”，電壓為2.62 V，電流為0.150 A。經(jīng)過7 h 50 min 15 s，該礦燈狀態(tài)變?yōu)椤俺錆M”，即充電完成，電壓為4.20 V，電流為0.023 A。

圖7 礦燈充電功能測試

為驗證基于分布式多總線的礦燈智能充電管理系統(tǒng)的有效性和適用性，在晉煤古書院礦進行工業(yè)試驗。該礦配置有礦燈充電架60臺，滿足6 000個礦燈充電需求。在試驗期間，礦燈智能充電管理系統(tǒng)運行穩(wěn)定，礦燈充電、礦工取燈/掛燈等過程實現(xiàn)了智能監(jiān)測與管理，在保證充電安全的前提下提升了礦燈充電管理工作效率。

6 結(jié) 語

以礦燈智能充電管理系統(tǒng)為研究對象，重點研究了礦燈充電管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及原理、硬件和軟件設(shè)計方案，基于STM32F103VET6芯片實現(xiàn)礦燈充電管理系統(tǒng)的智能化，以RS485通信、CAN總線通信、TCP/IP通信實現(xiàn)礦燈充電管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互并得出結(jié)果：①以RS485通信、CAN總線通信、TCP/IP通信為核心的礦燈智能充電管理系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠；②測試結(jié)果及工業(yè)試驗結(jié)果表明，該礦燈智能充電管理系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全、高效，提高了礦燈充電管理效率。