面向礦下皮帶運輸安全維護的語音通信控制系統研發(fā)

張 珂，趙雪悅，樂 斌，章文睿

（1.上海應用技術大學 機械工程學院,上海 201418；2.上海華欣民福自控設備有限公司,上海 200052）

我國的能源的主要形式是煤炭，煤炭工業(yè)在我國占據著主導地位[1]。帶式輸送機在煤礦開采中會被高頻的使用，它的正常運作是煤礦企業(yè)高效率生產的重要保障。日常的煤炭開采工作中，皮帶運輸系統作為最重要的組成部分，因運輸量大，成本低等特點被廣泛應用于煤炭開采[2]。相對于其他工業(yè)自動化領域，煤炭工業(yè)設備的自動化程度相對來說有所欠缺。所以對于礦下帶式輸送機的安全保護不容忽視，一旦發(fā)生類似于皮帶斷裂等嚴重故障，很可能對礦下工人生命安全造成威脅，導致巨大的損失，所以對于礦下運輸系統的安全保護進行研究有著十分重要的意義[3]。

西方經濟水平處于領先狀態(tài)，因此對于皮帶運輸系統有著較早的研究。從1840 年開始，高傾角、大功率的皮帶運輸系統就被廣泛應用于煤炭開采工業(yè)中。隨著對煤炭需求量的增加，西方各國逐漸開展了對帶式運輸系統監(jiān)控保護裝置的研究。1975 年美國霍尼韋爾公司提出集散控制理念，推出TDC2000 系統；現階段又以日本阪東公司的TATEBO-Ⅲ型為典型代表，使運行更加協調，提高整個行業(yè)的生產穩(wěn)定性和安全性[4]。Ahmadi 等[5]利用振動狀態(tài)監(jiān)控技術來實現對帶式運輸系統的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷；Kruczek 等[6]為保證皮帶無故障的運行，研究了多元數據分析再故障檢測中的應用。我國的煤炭開采工作相較于國外還是處于落后的階段，直到20 世紀90 年代，開展的“日產萬噸綜采設備”項目，皮帶運輸系統才被運用到礦下煤炭開采中。近20 年來，我國對于帶式運輸系統的研究已經取得了很大的進步，雖然自動化程度在不斷提高，但是帶式運輸系統的安全保護監(jiān)控依舊效率不高，無法精準定位，可靠性較差。李琰瑩等[7]運用PLC 開發(fā)了一套礦用皮帶運輸機監(jiān)控系統，通過在線監(jiān)控了解運行情況；張偉[8]同樣提出一種基于PLC 的井下煤礦皮帶運輸監(jiān)控系統，提升帶式運輸系統的安全性。正因為礦下皮帶運輸系統的工作特殊性，維護人員不可能一直守在礦下工作一線，所以實現在礦上工作站對皮帶運輸安全實時監(jiān)控顯得十分重要。這需要帶式運輸系統沿線的傳感器與上位機PLC 通過以太網的通信以及各模塊之間的配合，對設備進行安全、可靠、高效監(jiān)控。

礦下語音通話對于帶式運輸系統的安全維護以及礦下人員的工作安全有著十分重要的作用。語音通話系統可以方便工作人員進行維修作業(yè)時進行實時的交流，保障礦井工作人員的安全[9]。語音通話系統主要是用來采集語音數據，將采集到的語音數據進行壓縮然后解碼并播放出來，實現礦下語音通話功能[10]。而想要進行礦下語音通話，則必須得搭建語音信號發(fā)送通道，但由于礦下惡劣的環(huán)境，語音信號往往容易受到干擾導致信號不穩(wěn)定。隨著通信技術的不斷發(fā)展，礦下語音系統也在發(fā)生更迭，從早期的調度電話到礦下小靈通，直至目前的CAN 總線技術。由于調度電話以及礦下小靈通無法完成實時通信且極易受到信號干擾，性能穩(wěn)定優(yōu)異的CAN 總線技術逐漸取代前兩者并發(fā)揮著重要的作用[11]。

針對上述帶式運輸系統安全監(jiān)控以及礦下語音無法維持穩(wěn)定，無法進行實時通話，安全監(jiān)控保護與語音通話分散控制等問題，本文提出一個面向礦下皮帶運輸安全維護的語音通信控制系統的研發(fā)，該系統采用PLC 控制模塊結合CAN 總線的通信技術實現功能的融合。通過實驗對該系統功能進行進一步的驗證，結果表明整個系統在實驗中運行穩(wěn)定且良好。

1 系統方案設計

1.1 系統功能分析

目前礦下皮帶運輸保護系統和語音通話系統是2 個獨立的系統且結構復雜，增加了工作人員對帶式輸送機的維修難度，也不利于實時交流溝通，存在較大的安全隱患[12]。所以將2 個獨立的系統進行融合，簡化礦下皮帶運輸系統的結構，增加整個系統的安全穩(wěn)定性。系統將PLC 作為核心控制模塊，除需要對帶式運輸機進行啟?？刂仆猓€與皮帶保護系統以及通信系統連接，完成運輸保護功能與礦下語音通信功能的融合。該系統通過帶式輸送機安全保護模塊接收帶式輸送機沿線的傳感器信號，信號異常時，維修人員可以及時對皮帶故障點進行定位并展開維修，同時維修人員可通過語音通信系統完成實時對話，及時與其他人員進行溝通交流，提高井下作業(yè)的工作效率，并且當礦下發(fā)生安全事故時，井下工作人員也可與地面營救人員取得聯系，極大的保障了井下作業(yè)人員的安全。

1.2 系統方案設計

整個系統的組成包括：PLC 上位機，監(jiān)控站，皮帶安全與語音通信融合系統板，系統結構圖如圖1所示。監(jiān)控分站對傳感器數據以及語音傳輸進行監(jiān)控以及數據的編碼處理，通過CAN 總線與主站之間聯系，最終由上位機根據收到的信息做出相應的處理。

（1）PLC 控制模塊。PLC 是一種數字運算操作系統，各類機械系統被數字式或模擬式的輸入輸出所控制。該系統需要通過數據采集模塊對傳感器數據進行采集，當數據發(fā)生異常時，及時將異常信號反饋至上位機PLC 并通過PLC 完成停機等操作，實現帶式運輸機的安全保護功能。與單片機相比較而言，PLC 作為一個復雜的嵌入式系統，雖然使用和維護成本稍高，但是十分的可靠，抗干擾性能比較強[13]。對于井下復雜的作業(yè)環(huán)境來說，PLC 是控制系統的最佳選擇。

（2）中央控制模塊。該系統在實際運行過程中傳感器以及語音傳輸會產生大量的數據，所以需要對所產生的數據進行快速處理，更快的響應速度就會有更高的工作效率，同時還需對數據進行存儲，方便后續(xù)系統進一步的優(yōu)化完善。鑒于井下復雜的特殊工作環(huán)境，此處所需要的處理芯片不僅要有強大的處理功能還需有穩(wěn)定抗干擾性強的功能。

(3) 通信模塊。選擇CAN 總線通信作為礦下語音信號與傳感器信號的傳輸方式。CAN 總線成本低，數據通信實時性強，抗干擾性優(yōu)于RS-232、RS-485，總線節(jié)點數量多于RS-485[14]。同時它還是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，基于此優(yōu)點，在礦下進行長距離的數據傳輸中，選擇CAN 總線作為煤礦帶式輸送機的通信方式。

2 硬件設計

硬件組成圖如圖2 所示，安全維護語音控制系統使用PLC 作為控制模塊，LPC1768FBD100 為核心芯片的中央控制模塊，CAN 總線作為數據傳輸的方式，完成礦下皮帶運輸安全維護的語音通信控制系統的研發(fā)設計。該系統不僅可以簡化皮帶運輸結構，并且能快速實現故障定位，方便維修人員及時進行檢修。

圖2 系統硬件組成圖Fig. 2 System hardware composition diagram

2.1 PLC 選型

本系統使用PLC 型號為匯川H2U，其具有存儲空間大，運行速度快，支持高達128 個子程序和21 個中斷子程序，在提供完整的加密功能，保護用戶的知識產權且滿足功能的前提下，會有最小的輸出成本。該型號PLC 程序存儲空間大且內部集成大容量的電源，可以直接對傳感器、外部中間繼電器等進行供電，具有多通道高頻率高速輸入輸出端口，豐富的運動和定位控制功能。匯川H2U 集成2 個獨立的通信口，提供豐富的通信協議，方便系統集成，可以與礦山自動化集控網絡無縫對接，實現遠程監(jiān)視與控制功能。

2.2 中央控制芯片

根據礦下皮帶運輸安全維護控制系統的要求，通過對芯片資料的分析對比，選擇恩智浦半導體公司的LPC1768 作為系統中央控制模塊的核心芯片。該芯片擁有ARM Cortex-M3 的內核，可以增強系統的特性。其操作頻率可達到100 MHz，遠高于STM32 芯片的36 MHz 操作頻率，ARM Cortex-M3 CPU 有3 級流水線、哈佛結構、獨立的本地指令、數據總線、可以應用到外設性能較低的第3 條總線以及一個可以隨機跳轉的內部預取指單元[15]。在工業(yè)控制上相較于STM32 也是更加穩(wěn)定高效，且STM32 的成本價格比LPC1768 要高，綜合考慮選擇LPC1768 作為系統中央控制模塊的核心芯片。

2.3 本質安全電路設計

電源電路是整個系統設計中最重要的部分，為系統板提供電源。設計電源電路時需要考慮到整個系統板的電壓、電流、功率等，由于系統在煤礦礦井中使用，同時還必須考慮礦下惡劣的環(huán)境，因此系統設計中的供電需要使用本安型防爆電源。本質安全電路（本安電路）的設計要求是即使系統中某處線路發(fā)生短路或者火花，也不足以點燃周圍的易燃易爆氣體，從而導致安全事故。

根據本質安全型防爆電源設計的要求，需要保護一些如電容等可以儲能的電子元件，減小系統板元件的放電量，間接保護整個系統電路，主要是因為易燃物品僅需一定的火花能量便可以點燃它們[16]。而安全火花電路指的是電路中元件的放電量無法點燃易燃的物品。在礦井下，當礦下氣體濃度達到8.5%時，最易發(fā)生爆炸；當氣體濃度達到9.5%時，爆炸壓力值最高，只需要0.5 J 的能量就足以引起GAS 爆炸，所以火花能量需要低于一定的值[17]。

本安型防爆電路主要是預防電弧放電而產生的電火花，電弧放電極易點燃爆炸性氣體，所以本質安全型防爆電路的基本內容是電感電路[18]。

系統中的供電來源主要來自地面，地面上的電源必須跟斷路器連接后才可進入配電箱，這樣即使發(fā)生意外也能及時切斷電源保障安全，同時在防爆配電箱內部加入了礦井標準電壓127 V，并使用開關電源達到降壓至24 V 電壓，其本安型電路設計如圖3 所示。

圖3 本安電路設計圖Fig. 3 Intrinsically safe circuit design diagram

2.4 以太網通信模塊電路設計

系統中監(jiān)控主站與上位機之間的通信是由通信速率高且可靠性強的以太網來實現，這是一種計算機局域網技術。在以太網通信模塊中，可使用W5500、DP83848 等作為其核心芯片，其中W5500硬件電路簡單，但是網口速度受限于SPI 接口，且成本較高，而DP83848 的網口速度可以接近100 M，成本低于W5500，因此在以太網通信模塊中選擇將DP83848 作為核心芯片。這是一種集成以太網的芯片，集成度高，全功能低功耗，性能十分優(yōu)越，其電路設計原理如圖4 所示。

圖4 以太網通信模塊電路原理圖Fig. 4 Schematic diagram of Ethernet communication module circuit

為了減少芯片引腳的使用數量，采用RMII 接口模式，同時在DP83848 的引腳34（X1）外接一個50 兆赫茲的振蕩器達到相應的50 MHz 的時鐘傳輸速率，來保證DP83848 的正常運行。

2.5 語音模塊電路設計

系統設計的語音模塊電路中將VS1063 作為主芯片，該芯片成本低，操作方便，可以獲得音質較好的語音信號，是一款易于使用的多功能編碼器，能夠對不同音頻格式進行編碼和解碼，其電路原理圖如圖5 所示。

圖5 語音模塊電路原理圖Fig. 5 Schematic diagram of the voice module circuit

當監(jiān)控站之間進行語音通話時，VS1063 芯片的引腳1（MICP）和引腳2（MICN）會將收集到的模擬語音數據傳遞給芯片VS1063，然后VS1063將這些采集到的數據進行語音編碼[10]。然后通過芯片的引腳30（SO），由CAN 總線編碼并輸送到各個監(jiān)控分站中，接收到數據的監(jiān)控分站會通過語音模塊的VS1063 芯片的29（SI）腳將接收到相應的語音數據傳遞給芯片VS1063。然后將這些數據進行語音解碼操作，最后通過與引腳39(RIGHT)和引腳46(LEFT)連接的揚聲器將處理好的語音數據播放出來，實現礦下皮帶語音對講功能。

3 系統軟件設計

3.1 系統工作流程

皮帶運輸安全維護語音通信控制系統主要包括PLC 上位機、操作臺、監(jiān)控主從站等。其中為了對帶式運輸系統進行保護，皮帶沿線會布置傳感器，當出現故障時，傳感器會將接受的信號傳輸給監(jiān)控分站，再由監(jiān)控分站逐步傳給主站，通過監(jiān)控主站與PLC 之間的聯系，上位機PLC 根據所獲得的信號做出相應的操作，方便維修人員檢修的同時也對設備以及礦下作業(yè)人員的安全起到了保護作用。

中央控制模塊中的LPC1768 芯片對語音模塊進行控制，各監(jiān)控站之間語音通話時，控制語音模塊中的VS1063 芯片對語音數據進行編碼操作，然后再由CAN 總線傳遞給各監(jiān)控分站，再由芯片進行解碼，然后通過揚聲器播放，實現礦下的語音對講。如圖6 所示，系統在啟動之前，需要將系統每個模塊進行初始化，然后進行數據采集工作，接下來系統將會判斷采集到的數據類型，并將采集到的數據傳輸給相應的模塊，各個模塊會分別對數據進行處理。

圖6 系統軟件設計流程Fig. 6 System software design flow chart

3.2 語音模塊軟件設計

3.2.1 語音收發(fā)切換控制軟件設計

如圖7 所示，系統的語音數據收發(fā)模式的切換由第8 路數字量輸入控制，當IN8 輸入有效時（低電平），單片機控制VS1063 芯片采樣麥克風的模擬量音頻輸入信號，對采樣的數字量數據進行編碼，并通過以太網芯片將編碼后的音頻數據包傳輸到以太網，同時，VS1063 芯片停止解碼由MCU 轉發(fā)的音頻數據流，抑制揚聲器的輸出。當IN8 輸入無效時（高電平），單片機控制VS1063 芯片解碼所收到的同一網段上的所有音頻數據包，并將解碼的音頻采樣數據進行D/A 轉換后在揚聲器上輸出[10]。

圖7 語音收發(fā)切換控制邏輯Fig. 7 Voice transceiver switching control logic

3.2.2 語音去噪軟件設計

由于礦下下惡劣的環(huán)境，聲音嘈雜，對語音信號的傳輸造成了極大的干擾。根據Claude Shannon所提出的采樣定理，作為連續(xù)時間信號和離散時間信號，即模擬信號和數字信號之間的基本橋梁，該定理說明采樣頻率和信號頻譜之間的關系，是連續(xù)信號離散化的基本依據。當語音信號的最高頻率比采樣頻率的一半還要小，便可以采集到較完整的語音信號，能很大程度上的采集到有效的語音信號，可以提高語音傳輸的準確性。在系統中，使用二階低通濾波器對音頻信號進行處理，對高頻的礦下噪聲進行濾波，保障采集到的語音信號都是有效的。

經過二階低通濾波器處理后的語音信號為：

式中：Y(z)是通過二階低通濾波器處理后的語音信號；X(z)是沒有經過二階低通濾波器處理過的語音信號；傳遞函數H(z)中的b(1)、b(2)、b(3)、a(2)和a(3)都是常數，分別為1、2、1、0.825、0.294。圖8為語音信號的濾波特性波形圖。

圖8 語音信號濾波特性波形圖Fig. 8 Waveform diagram of speech signal filtering characteristics

系統中的語音信號處理的采樣頻率為8 kHz，選擇的二階低通濾波器比較穩(wěn)定，操作簡單。它可以有效將語音信號中的高頻諧波分量去除，采集到更加穩(wěn)定的語音信號。

3.3 CAN 總線通信軟件設計

系統支持基于標準幀的CAN2.0 通信協議。CAN 協議的特性包括完整性的串行數據通信、提供實時支持且具備檢錯能力。CAN 通信報文的處理延時小于15 ms，并且由一個單獨的線程完成。每個系統板都可以與多個連接在同一總線上的通信板進行數據交換。

系統使用撥碼開關對CAN 總線進行控制，當撥碼開關SWA1 處于OFF 狀態(tài)時，CAN 通信被激活，當SWA1 處于ON 狀態(tài)時，CAN 通信接口停止發(fā)送/接收數據。CAN 通信無主從站的區(qū)別，每個連接在總線上的監(jiān)控站既可以發(fā)送本地信息又可以接收遠程信息，并將接收到的遠程信息保存到設定的存儲區(qū)內[19]。其具有多主站依據優(yōu)先權進行總線訪問的特點，任何站點都可以作為主站向總線發(fā)送信息并控制其他的站點或者獲取需用的狀態(tài)。

如圖9 所示，系統CAN 總線的起始幀為0，監(jiān)控站的地址內容保存在11 位的標識符當中，每個監(jiān)控站都可以傳輸8 位數據。CAN 總線的通信幀的數據區(qū)與接收到的8 位數據一一對應，從SIG_IN8 接收到的數據與通信幀的數據區(qū)第一位是相呼應的，而SIG_IN7 接收到的數據與通信幀的數據區(qū)第二位相呼應，以此類推，其他接收到的數據都是與相應的通信幀相匹配[20]。

圖9 CAN 總線通信幀數據定義Fig. 9 CAN bus communication frame data definition diagram

4 實驗測試

為了檢測面向礦下皮帶運輸安全維護的語音通信控制系統是否可以正常運行，對系統各個模塊的功能進行實驗調試。

4.1 系統聯調實驗

使用PLC、顯示屏以及系統板搭建控制系統的實驗平臺，對PLC 與監(jiān)控站之間的通信進行實驗驗證。如圖10 所示，在傳感器數據采集模塊處給傳感器一個模擬故障信號，此時數碼管會顯示異常信號“SH”，接著系統通過以太網通信將異常信號傳輸給上位機PLC，PLC 便會發(fā)出語音預警，同時對帶式輸送機進行相應的停車維修等操作。

圖10 系統聯調實驗Fig. 10 System joint debugging experiment

4.2 數碼管顯示模塊實驗

顯示模塊使用撥碼開關來控制數碼管的地址顯示，如圖11 所示，當撥動撥碼開關時，數碼管地址顯示功能正常，且數碼管地址的顯示與撥碼開關是一一對應的。

圖11 數碼管監(jiān)控站地址顯示實物圖Fig. 11 The actual picture showing the address of the digital tube monitoring station

4.3 語音通話實驗

實驗使用示波器來模擬語音信號的采集，通過波形的變化直觀的顯示語音通話功能是否正常并將CAN 總線的波特率設置成不同的大小來對語音通話的波形進行比較分析。將CAN 總線的波特率分別設置為50、100 Kb·s-1，得到的語音通話波形如圖12 所示。

圖12 語音通話波形圖Fig. 12 Voice call waveform

如圖12（a）所示，當CAN 總線的波特率為50 kb·s-1，相鄰的數據之間的間隔為5 ms；如圖12（b）所示，當CAN 總線的波特率為100 kb·s-1，相鄰的數據之間的間隔為2.5 ms。結果滿足當波特率一定時，CAN 總線的數據傳輸速率穩(wěn)定，因此可以保證整個礦下語音通話功能的穩(wěn)定性。

5 結語

本文以礦下帶式輸送機為目標，使用嵌入式技術、通信技術等完成礦下皮帶運輸安全維護的語音通信控制系統的開發(fā)和實驗。根據系統的要求確定適用的通信技術以及語音編碼算法，通過維納濾波理論進行去噪處理，使語音信號更加穩(wěn)定?？紤]煤炭開采的安全性，采用本安型電路設計，將外部供電電源與系統板內部的電路隔離，保證系統的安全穩(wěn)定性。

本文提出的礦下皮帶運輸安全維護的語音通信控制系統的設計，根據現有帶式運輸的使用需求，結合嵌入式技術、CAN 總線通信技術等，使皮帶運輸保護與語音通信功能融合，實現礦下實時語音通話功能；同時采集皮帶沿線的保護傳感器數據，實現礦下皮帶運輸監(jiān)控及保護功能。該系統簡化了皮帶運輸結構，節(jié)約成本，有利于后期的維護和檢修。解決了目前市場上礦下帶式運輸結構因為安全保護系統和語音通訊系統分開，而導致的結構極為復雜的問題。