帶式輸送機超遠距離綜合信號打點閉鎖裝置的設計與應用

王 歡

（同煤集團忻州窯礦， 山西 大同 037000）

引言

現(xiàn)代煤礦企業(yè)不斷追求高產(chǎn)高效，皮帶帶速越來越快，沿線距離越來越長，現(xiàn)階段各大煤礦所用的語音打點器由于皮帶沿線距離太長，單個節(jié)點容易出現(xiàn)問題導致整個語音打點器出現(xiàn)通訊不暢的問題，基于此，根據(jù)同煤集團某礦皮帶隊的現(xiàn)場情況，設計了基于皮帶隊現(xiàn)場實際情況的數(shù)字式打點信號顯示裝置。

1 系統(tǒng)總體方案設計

某礦皮帶隊現(xiàn)階段的語音打點器由于沿線距離太長，沿線范圍內的語音打點器數(shù)量太多，井下惡劣的地理環(huán)境等問題導致部分語音打點器會間歇性地出現(xiàn)連接不暢的問題，并且部分打點器出現(xiàn)問題直接導致了整個語音打點器系統(tǒng)出現(xiàn)通信不暢的問題。該問題反映到實際現(xiàn)場就是皮帶尾部的工作人員無法直接與皮帶頭部的皮帶司機通過語音信號器溝通皮帶的啟停，并且現(xiàn)階段皮帶尾部的急停裝置和語音信號器集成在一起，該問題還會導致皮帶尾的急停裝置間歇性失效，給皮帶的正常運轉帶來巨大的安全隱患[1-2]。

根據(jù)上述情況，依據(jù)現(xiàn)場的實際情況，設計了一套適用于皮帶一隊的超遠距離光纖通信加CAN 總線的數(shù)字打點通信模塊，其中二部皮帶頭距離二部皮帶硐室共計2 500 多米，井下如此長距離的穩(wěn)定數(shù)字信號通訊我們只有選擇光纜這一種方式，而二部皮帶硐室到皮帶尾的距離只有50 m 左右，光纖通信耗費資源大，開發(fā)成本高，短距離通訊不適用，所以決定使用CAN 總線通信達到該位置短距離通訊的目地，所以這套信號打點裝置系統(tǒng)最終使用了兩種通信方式來實現(xiàn)上下級打點器的聯(lián)通，而位于二部皮帶硐室的這套打點裝置負責總線調度，對兩種總線信號實施時間片段分配。

依據(jù)上述分析給出設計最小性能參數(shù)：傳輸距離為2 500 m；供電方式：系統(tǒng)為井下照明127 V 電源供電；傳輸方式：有線以太網(wǎng)傳輸+CAN 總線有線傳輸。

系統(tǒng)由三部分組成。第一部分是裝在二部皮帶頭位置的信號打點裝置，皮帶頭司機可以操作信號打點器將打點及閉鎖信號輸入由STM32 嵌入式開發(fā)板搭建的以太網(wǎng)設備端，通過光電轉換設備，將處理過的數(shù)字信號送入光纜。第二部分是裝在二盤區(qū)皮帶硐室的信號打點裝置，該部分的設備負責接收皮帶頭的光纖信號并作為CAN 主站將該信號發(fā)送給后級的CAN 從站節(jié)點，從而實現(xiàn)信號打點器的三級通信。第三部分是裝在皮帶尾部給煤機位置的信號打點器，該位置部分的信號打點器主要作用是保障皮帶尾的看尾工在發(fā)現(xiàn)皮帶有大塊卡堵等現(xiàn)象時及時利用信號打點器的閉鎖開關急停皮帶，并處理導致皮帶急停的事故，當事故處理完畢后，皮帶看尾工利用信號打點器可以迅速與皮帶頭司機聯(lián)絡，確認該位置無故障，可開啟皮帶。

2 系統(tǒng)硬件的設計

本次設計的超遠距離綜合信號打點閉鎖裝置主要由兩部分構成：以太網(wǎng)和CAN 總線。以太網(wǎng)部分由電源電路、信號調理電路、STM32 微型處理器、TTL轉以太網(wǎng)控制器、LED 狀態(tài)轉換電路、蜂鳴器報警電路、光電轉換模塊、OLED 液晶顯示及調試電路組成。硬件結構設計框圖如下頁圖1 所示。

CAN 總線部分與以太網(wǎng)部分類似，主要多了CAN 總線外設部分電路，設計框圖見圖2。

圖1 超遠距離綜合信號打點閉鎖裝置以太網(wǎng)部分硬件設計框圖

圖2 超遠距離綜合信號打點閉鎖CAN 總線部分裝置硬件設計框圖

本系統(tǒng)考慮到系統(tǒng)整體的供電可靠性，在每個遠距離打點裝置的電源模塊中，加入了鋰電池作為備用電源。為了充分提高這套裝置的工作連續(xù)性，本系統(tǒng)利用STM32 低功耗的特點作為主控制器，為這套適用于井下特殊環(huán)境的工用電器提供了一顆低耗能、高效率的“大腦”。

3 系統(tǒng)軟件的設計

3.1 以太網(wǎng)部分

帶式輸送機超遠距離綜合信號打點閉鎖裝置以太網(wǎng)部分采用雙通信設計，適用于超遠距離的信號傳輸。位于膠帶機頭部位置的發(fā)送端的皮帶操作工人準備開機以前，先通過屏幕檢查系統(tǒng)閉鎖狀態(tài)，如無閉鎖信號，工人按下打點按鈕，通過信號打點裝置，將打點信號以模擬量形式送入本裝置，本裝置再通過STM32 將模擬量編碼轉換為TTL 信號，通過TTL 轉以太網(wǎng)控制器，將這個信號以TCP|IP 協(xié)議發(fā)送至光電轉換模塊，最終這個信號將以光纖的形式發(fā)送出去。同理，在以太網(wǎng)信號的接收端，將這個信號通過光電模塊還原為網(wǎng)絡信號，再通過TTL 轉以太網(wǎng)控制器轉換為TTL 信號，同時經(jīng)過STM32 送入當前位置的顯示屏顯示。

3.2 CAN 總線部分

帶式輸送機超遠距離綜合信號打點閉鎖裝置CAN 總線部分是為了短距離信號傳輸，某礦皮帶隊結構特殊，需要在超遠距離傳輸信號完成后，再實現(xiàn)近距離信號傳輸，這就需要將以太網(wǎng)-光纖這種通信方式轉換為現(xiàn)場總線，然后多級串聯(lián)。實現(xiàn)的原理是，通過STM32 將接收到的以太網(wǎng)信號通過CAN 外設再發(fā)送出去，同時要能實現(xiàn)CAN 總線設備的自動地址編碼功能，以方便安裝人員及調試人員的操作。

本系統(tǒng)軟件上采用C 語言與匯編語言聯(lián)合編程設計。本系統(tǒng)充分利用C 語言模塊化編程的思想，將各硬件模塊在程序編寫中直接編寫為函數(shù)接口，在主程序中可直接調用各模塊函數(shù)，運用此方法大大節(jié)約了整套軟件系統(tǒng)的調試時間。在此次的軟件設計中還充分運用意法半導體對STM32 固件庫的支持，直接利用官方提供的庫函數(shù)對主控芯片的各外設及寄存器進行操作，大大節(jié)約了本系統(tǒng)的開發(fā)時間，并且在編程中運用C 語言在嵌入式中的優(yōu)勢，提高了系統(tǒng)的運行效率。

4 項目創(chuàng)新點

1）光纜和CAN 總線結合的打點通信系統(tǒng)，最大程度適用于井下的實際應用場景。

2）帶有顯示功能的打點通信系統(tǒng)，可直接顯示正在打點位置或已閉鎖位置。

3）對比現(xiàn)有的信號打點系統(tǒng)，該系統(tǒng)提高了皮帶沿線通信打點的穩(wěn)定性。

5 項目經(jīng)濟效益分析

改造后的信號打點系統(tǒng)，保障了膠帶機的正常運轉，減少了因為打點器故障期間皮帶操作工相互聯(lián)系所浪費的時間，也保障了皮帶尾部急停裝置的正常運行，從而極大程度上保障了皮帶的安全運行，以皮帶一隊為例，每天可為皮帶操作工節(jié)約的運行時間為5 min，綜放工作面一小時的產(chǎn)量約為1 000 t，平均每噸煤的價格為450 元，經(jīng)過計算：1 000 t×5 min/60min×450 元=37500 元，企業(yè)日創(chuàng)效益約37500元。因此，改造后的系統(tǒng)不僅確保了運輸機的穩(wěn)定安全運行，而且還極大提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。