帶式輸送機沿線噴霧灑水集控系統設計及應用

劉勇利

（晉能控股煤業集團忻州窯礦皮帶隊， 山西 大同 037021）

1 立項背景

帶式輸送機作為煤礦生產系統的重要組成部分，其在煤礦的日常生產中擔負著舉足輕重的作用。但由于井下老式噴霧灑水不能實現遠控，導致帶式輸送機沿線噴霧灑水不能伴隨輸送機的起停以及煤量的多少達到動態開關，從而造成皮帶積水。當煤流運行到巷道傾角較大的部位時，在積水和下滑力的作用下，煤炭不能被帶式輸送機運走，導致輸送機機尾堵塞，造成輸送機停機，影響生產及經濟效益。與此同時皮帶巷一般又承擔著人行通道的作用，是煤礦井下工作人員的生命通道。帶式輸送機沿線噴霧灑水不能隨輸送機的起停以及煤量的多少動態開關，會導致皮帶巷粉塵超標，影響煤礦井下工作人員的身體健康。所以帶式輸送機的沿線噴霧灑水系統隨輸送機的起停以及煤量的多少達到動態開關至關重要，基于此，對帶式輸送機沿線噴霧灑水系統進行改造。

2 項目實施改造過程

2.1 現場總線的選擇

現場總線的產生對工業的發展起著非常重要的作用，隨著工業自動化的推進，各種現場總線技術得到了充分的發展，現階段在煤礦電氣控制系統有廣泛的應用，現場總線是為了處理工業現場的儀器儀表、邏輯控制器、執行機構及原件等工業設備間的通信、控制、信息傳遞問題而設計的，CAN 控制器根據兩線上的電位差來判斷總平。分為顯性和隱性，二者必居其一。發送方通過使總線電平生變化，將消息傳給接收。CAN 是連接現場設備和總線控制系統的通信系統。由于各個廠商都在發展自己的現場總線技術，導致現在有40 余種現場總線，而常用的現場總線 有 13 種 ， 分 別 是 RS422、CAN、Ethernet/IP、ControlNet、LonWorks、EIB、Interbus、Profibus、Profinet、FFHSE、P-net、CC-Link、DeviceNet。

CAN 是ControllerAreaNetwork（控制器局域網絡）的縮寫，由德國BOSCH 公司開發，并最終制定為國際標準（ISO11898），是目前應用最廣泛的現場總線之一。在全球，CAN 總線現已成為汽車計算機控制系統和嵌入式通信領域的標準協議總線。CAN 總線最大支持的傳輸速率為1 Mbps，對應傳輸距離40 m，最大傳輸距離10 000 m，對應傳輸速率5 kbps，且CAN 總線具有傳輸距離遠、實時性高、抗干擾能力強、成本低等優點。由以上特點即可以看出，CAN 總線非常適用于在煤礦井下復雜的地質及磁場環境中穩定通信，所以此次項目選擇CAN 總線技術作為集控系統的通信手段，項目最終呈現穩定的運行結果，表明CAN 總線技術完全勝任此次項目的通信需求。

2.2 CAN 集中控制系統的設計

帶式運輸機噴霧灑水集中控制系統就是在強力膠帶機沿線每隔100 m 的位置安裝一套噴霧灑水裝置，對每套噴霧灑水裝置的開關采用電磁閥控制，且每個電磁閥配套一塊帶有CAN 總線協議外設的STM32 綜合嵌入式控制板作為分站節點，最后利用CAN 現場總線將所有的分站節點連接，送入集控室CAN 總線主站節點。這套集控裝置最終由膠帶機頭人員對所有的噴霧灑水裝置分別做對應的啟停控制，大大地提高了項目實施前，噴霧灑水就地控制的自動化程度。整體系統框圖如下頁圖1 所示。

2.3 CAN 分站節點硬件設計

CAN 分站節點利用STM32 嵌入式平臺搭建，硬件部分包括由CAN 通信模塊、聲光報警電路、電源電路、調試電路以及OLED 顯示線路組成，系統硬件結構如下頁圖2 所示，電路原理見下頁圖3。

圖1 噴霧灑水CAN 總線集中控制系統框圖

圖2 節點硬件結構圖

帶式輸送機集成噴霧灑水系統分為CAN 從站和主站兩個單元，為縮短硬件整體的開發周期，兩個單元的設計用相同的設計來完成。所以，該套系統在硬件上是統一的，通過為主STM32 處理單元輸入不同的程序，可實現相同硬件的主、從站不同應用，很大程度上提高了這套主、從系統的適用性及兼容性。本次嵌入式開發充分利用STM32 低功耗優勢作為這次項目的低功耗設計方案，為這套適用于井下特殊環境的礦用設備提供了非常優秀的功耗設計方案。兩套系統唯一的不同就是在主站部分沒有噴霧灑水設備，取而代之的是一塊顯示用的監控顯示器，用于顯示所有節點的狀態。

2.4 系統軟件方案設計

在此次的軟件設計中還充分利用STM32 固件標準庫，并且在C 語言程序設計環節直接利用標準庫函數對主控制器的硬件進行操作，節約了系統整體的開發時間，提高了系統軟件部分的運行效率。

2.4.1 沿線噴霧灑水模塊地址編碼單元

首先利用矩陣鍵盤輸入需要寫入礦用跑偏傳感器主、從機的地址編號，然后通過CAN 總線協議識別分配的地址單元是否合法，最后將檢測結果送顯到下位機LCD 調試界面。

2.4.2 下位機數據處理

數據接收單元通過CAN 總線協議接收并檢測CAN 總線上的數據包，再通過相應算法處理數據包內容，最后將接受到的數據顯示到LCD 點陣液晶屏上，由接收系統決定聲光報警指令是否發送。

2.4.3 CAN 數據發送單元

CAN 總線數據發送單元就是利用STM32F103主控芯片內部集成了雙路bxCAN 收、發控制器來實現的。STM32F103 主控芯片發送報文的流程為：在庫函數中，CAN_FilterInit()用來初始化CAN 的濾波器相關參數，在CAN_Init()函數體中，在初始化之前會設置CAN_FMR 寄存器的INRQ 為INIT 讓其進入初始化模式，然后初始化CAN 濾波器相關的寄存之后，會設置CAN_FMR CAN_F 寄存器的FINIT 為0讓其退出初應用程序。隨后利用FIFO 郵箱與主站接收單元進行通信，利用主站接收單元的返回信號來表明一次成功發送數據包。

圖3 電路原理圖

2.4.4 CAN 數據接收單元

CAN 報文的接收采用中斷處理的方式。STM32主控制器處于通信監控的狀態，當成功接收到數據包時，立即進入接收主機的中斷函數，在中斷函數中，通過算法，識別從機數據的正確性，如果數據準確無誤，那么立即送顯從機的數據，并且在中斷函數中調用CAN 數據發送函數，發送給對應從機返回值，最后釋放發送及接收郵箱。數據接收模塊流程如圖4 所示。

圖4 數據接收流程

整套系統在軟件上采用C、匯編語言混合編程。軟件程序設計人員利用模塊化編程的思想，將各硬件模塊的功能在軟件程序編寫中編寫為各種函數接口，通過在主函數中調用各種功能的模塊函數，來節約實現軟件調試時間的目的。

3 項目創新點

1）極大地減少了控制線束的數量，利用2 芯屏蔽的CAN 總線完成了所有噴霧灑水的開關量控制，極大地減少了系統的維護工作量。

2）充分利用CAN 總線穩定性，適用于井下惡劣的環境，使得整體控制動作靈敏，反應迅速，完全滿足井下的控制要求。

3）極大地提高了整個皮帶噴霧灑水系統的自動化程度，很大程度上減少了就地運行工人的工作量，提高了噴霧灑水系統的相應速度。

4 項目經濟效益

對帶式輸送機沿線噴霧灑水集控系統改造后，保障了膠帶機的正常運轉，減少了因漏煤眼內含水量大而導致漏煤眼非正常卸煤皮帶機被迫停機所浪費的時間，進而增加綜采工作面的班開機率，提高礦日產量，日創效益約30 萬元。計算方法如下：

以某皮帶隊為例，從膠帶斜井輸送機到綜采工作面所有設備開啟所需要的最低時間為40 min；綜放工作面1 h 的產量為1 000 t；噸煤平均價格為450元。則日產生效益為萬元。

5 結語

該改造項目的成功實施，解決了因漏煤眼內水含量較大導致漏煤眼非正常卸煤時皮帶停運的次數和由此所浪費的時間，為各礦提供了參考，從而可以提高煤炭產量，具有很好的推廣價值。