基于CAN總線的掘進機實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究

邢 健

（西山煤電西曲礦，山西 古交 030200）

引言

隨著科技的進步，機械控制技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。掘進機作為煤炭井下開采作業(yè)的重要設(shè)備，其控制的先進性直接關(guān)系著掘進機工作的可靠性和操作人員的安全性，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的高度重視[1-2]。目前，國外發(fā)達國家的掘進機控制技術(shù)較為先進，涉及各種監(jiān)測和檢測等參數(shù)，操作安全可靠，而國內(nèi)的掘進機自控系統(tǒng)相較于國外存在明顯差距[3]，即使近年來投入了大量的人力、物力和財力開展相關(guān)研究，但就目前的情況而言，基本處于國外發(fā)達國家20世紀90年代的發(fā)展階段，仍需要投入更多的研究力量[4]。當前煤礦用懸臂式掘進機的控制系統(tǒng)多使用的是PLC、繼電器、傳感器和RS485通信技術(shù)，實現(xiàn)對掘進機開展掘進工作的控制，雖然PLC控制具有較多的優(yōu)點，可工作穩(wěn)定性差、數(shù)據(jù)丟失等問題較為明顯[5-6]。因此，針對某煤炭企業(yè)服役中的掘進機PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定性不足、數(shù)據(jù)易丟失的問題，開展基于CAN總線的掘進機實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究具有重要的意義。

1 掘進機組成及控制情況

煤礦掘進機主要由截割系統(tǒng)、裝運系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示為掘進機外觀。截割系統(tǒng)涉及截割電機、減速器、截割滾筒、截割頭等，實現(xiàn)煤巖截割功能；裝運系統(tǒng)涉及耙裝部、減速機、中間輸送機等，完成煤炭截割落下的裝載與運輸工作；行走系統(tǒng)涉及液壓馬達、減速機、主動鏈輪、從動鏈輪、履帶等，負責煤炭掘進時的推進行走；控制系統(tǒng)涉及各種傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、監(jiān)測控制界面等，確保掘進機正常工作且實現(xiàn)特定的控制功能?？刂葡到y(tǒng)目前使用的是PLC，配合繼電器、傳感器，通過RS485通信完成數(shù)據(jù)傳輸功能，使用過程中存在控制不可靠、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問題，有必要進一步改進提高其控制系統(tǒng)。

圖1 掘進機外觀

2 總體方案設(shè)計

引入先進的CAN總線技術(shù)，完成了掘進機實時監(jiān)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計工作，如圖2所示。監(jiān)控系統(tǒng)主要由中央控制器、執(zhí)行器、分布式傳感器和控制器組成，各模塊使用單獨處理器，系統(tǒng)之間的信息通信采用CAN總線完成。CAN總線配置的各個控制節(jié)點均具有獨立的監(jiān)控內(nèi)容，各個控制節(jié)點之間處于一個水平狀態(tài)，通信方式一致。截割滾筒位置的振動信號，配置獨立的采集節(jié)點，相關(guān)數(shù)據(jù)信息保存至SD卡，存儲情況由CAN總線實時傳輸振動信號，截割滾筒擺動信號采集同樣使用獨立的處理器，由CAN總線與主控制器之間完成信息通信，實現(xiàn)對擺速的監(jiān)視和控制。

圖2 掘進機監(jiān)控系統(tǒng)總體控制方案

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 LPC1768處理器

LPC1768系列Cortex-M3微控制器用于低功耗的嵌入式應(yīng)用，其操作頻率高達100 MHz。外部引腳配置如下：Flash存儲器內(nèi)存為512 kB，同時具有64 kB的數(shù)據(jù)存儲器；接口形式包括以太網(wǎng)和USB兩種形式；內(nèi)部配置通用DMA控制器，通道數(shù)為8；串行通信接口包括兩路CAN總線、4路UART、兩路SSP控制器、三路I2C接口、2-輸入和2-輸出的I2S接口；A/D轉(zhuǎn)換模塊配置了8路12位ADC和10位DAC；通用PWM配置了六路，還有一路電機控制PWM及編碼器接口；I/O接口配置了獨立電池供電的超低功耗RTC和通用I/O接口70余個；定時器為4個通用定時器。

3.2 CAN總線收發(fā)模塊

CAN總線收發(fā)模塊作為實時監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，其芯片選型至關(guān)重要，此處選擇的是供電電壓3.3 V的CAN總線收發(fā)器。該收發(fā)器具有很好的通信速率和可靠性，差分收發(fā)能力很強，收發(fā)速率可達1 Mbit/s。具有兼容ISO11898標準，多節(jié)點高輸入阻抗，工作在低電流狀態(tài)下的電流數(shù)值僅為370 μA，自身設(shè)置了熱保護和開路失效保護的功能，能夠有效抵抗瞬間干擾和保護總線的功能。與此同時，配置的差分接收器還具有抗寬范圍的工模干擾、電磁干擾等能力，適合較為惡劣的工況使用。

3.3 硬件電路

監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件為監(jiān)控主板，用于監(jiān)測整個掘進機的電控系統(tǒng)，以及煤炭掘進時掘進機的運行狀態(tài)和周圍環(huán)境因素的變化情況，與此同時，也可以實時控制掘進機的運行。數(shù)據(jù)采集模塊涉及多類傳感器元件、信號放大電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、輸入輸出接口電路和微處理器等，其中的控制模塊涉及多種電路，包括微處理器、開關(guān)、IO電路、放大驅(qū)動電路和各種執(zhí)行控制器等。與此同時，控制模塊也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾b置，是數(shù)據(jù)連接總線的樞紐?？刂颇K的作用是操作增高掘進機實現(xiàn)規(guī)定的掘進動作，必須確保通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，才能更好地實現(xiàn)掘進機的動作響應(yīng)。如圖3所示，給出了監(jiān)控系統(tǒng)分站硬件組成結(jié)構(gòu)圖。

3.4 傳感器選用

截割電機溫度監(jiān)測傳感器選擇PT100，接線采用四線制，標定之后每攝氏度對應(yīng)5 mV，近似線性變化規(guī)律。電機電流監(jiān)測選擇電流互感器，既能夠?qū)崿F(xiàn)電機過流、過載等故障監(jiān)測，還能完成斷相監(jiān)測。瓦斯監(jiān)測選擇瓦斯傳感器，運行時若瓦斯?jié)舛瘸瑯?，控制器會發(fā)出瓦斯超標報警信號。液壓系統(tǒng)油位和油溫監(jiān)測采用帶熱敏觸點的油位開關(guān)，確保液壓油工作在合適的溫度和油量范圍。噴霧壓力監(jiān)測采用壓力開關(guān)，當噴霧壓力超過標準設(shè)定數(shù)值時，壓力開關(guān)開啟，對其進行泄壓處理，當噴霧壓力降低至標準數(shù)值時，壓力開關(guān)關(guān)閉。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)分站硬件組成結(jié)構(gòu)圖

4 軟件設(shè)計

4.1 軟件結(jié)構(gòu)

掘進機實時監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存、控制指令輸出與總線通信等，為了提高軟件系統(tǒng)的通用性，程序結(jié)構(gòu)采用了模塊設(shè)計形式，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和通信程序三部分。其中的數(shù)據(jù)采集模塊主要實時采集掘進機運行時的電壓、電流、壓力、溫度等參數(shù)實時值，與此同時，也要采集控制系統(tǒng)中的接觸器、漏電保護器等開關(guān)量信號。將信號接入轉(zhuǎn)換接口濾波之后進行存儲，圖4給出了監(jiān)控系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)圖。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)圖

4.2 數(shù)據(jù)采集程序

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了5組數(shù)據(jù)采集輸入通道，系統(tǒng)開始數(shù)據(jù)采集之前需要進行初始化并完成通道選擇，之后啟動數(shù)據(jù)采樣程序開始實時采集掘進機運行數(shù)據(jù)。采樣結(jié)束之后進行數(shù)據(jù)提取，設(shè)定提取100點數(shù)據(jù)，對提取的100點數(shù)據(jù)進行分析處理。首先去掉10個最小值和10個最大值，對剩余的80組數(shù)據(jù)取平均值即為實時采樣的數(shù)值。以相同的數(shù)據(jù)采集流程進行掘進機電壓、電流、壓力等數(shù)據(jù)的實時采集，使掘進機監(jiān)控人員及時獲取各類參數(shù)的實時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集程序如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集程序

4.3 通信程序

了解CAN總線通信協(xié)議是保證CAN總線通信程序編寫工作開展的前提，也是保證其可靠運行的基礎(chǔ)，與此同時，LPC1768內(nèi)部CAN總線控制器內(nèi)部配置也需要熟悉。程序運行時的第一步需要對CAN總線控制器配置的輸出引腳進行初始化處理，配置合適的CAN總線時鐘頻率，將波特率寄存器和濾波寄存器的運行參數(shù)配置完成。之后將系統(tǒng)的使能控制關(guān)閉，配置對應(yīng)的中斷引腳、電平下降沿和中斷的優(yōu)先級，然后將定時器打開，配置合適的定時器周期和數(shù)據(jù)格式。最后進行收發(fā)標志的設(shè)置，配置不同參數(shù)數(shù)據(jù)的映射地址。如圖6所示，給出了通信程序中的CAN總線控制器對幀結(jié)構(gòu)的響應(yīng)流程，可以看出，傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)如果準確，就直接存入寄存器；相反的一旦存在問題，程序自動發(fā)送錯誤代碼，及時清空錯誤數(shù)據(jù)的內(nèi)存。

5 應(yīng)用效果評價

圖6 通信程序

為了驗證基于CAN總線技術(shù)設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)的可行性和效果，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)服役中的掘進機，跟蹤記錄其運行情況。應(yīng)用結(jié)果表明，掘進機監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崟r監(jiān)測掘進機的運行參數(shù)，具有很好的遠程操控功能，未曾出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題。統(tǒng)計結(jié)果顯示，相較于未安裝監(jiān)控系統(tǒng)的掘進機，監(jiān)控系統(tǒng)的投入使用，節(jié)省了設(shè)備運行維護人員2～3名，能夠及時發(fā)現(xiàn)掘進機的故障或故障趨勢，降低了掘進機較大事故的出現(xiàn)概率，節(jié)約備品備件成本近8%，掘進機有效工作時間增加了近10%，大大降低了煤炭掘進成本，預(yù)計為煤炭企業(yè)節(jié)約經(jīng)濟效益每年近80萬元，取得了很好的應(yīng)用效果。

6 結(jié)語

掘進機作為煤炭開采的關(guān)鍵設(shè)備，其控制系統(tǒng)技術(shù)的先進性和可靠性至關(guān)重要。針對某煤炭企業(yè)服役中的掘進機PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定性不足、數(shù)據(jù)易丟失的問題，開展基于CAN總線的掘進機實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計工作。應(yīng)用結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問題，實現(xiàn)了對掘進機作業(yè)的遠程監(jiān)測和控制的目的。監(jiān)控系統(tǒng)的投入使用，節(jié)省了2～3名運維人員，節(jié)約了8%的備品備件，掘進機有效工作時間提高近10%，為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟效益近百萬元。