基于LIN 總線的采煤機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用

林 飛

（潞安化工集團余吾煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046100）

引言

近年來，遠程監(jiān)控技術興起，在煤礦綜采作業(yè)面得到了較為廣泛的應用，取得了較好的應用效果，大大提高了作業(yè)人員安全和生產(chǎn)作業(yè)效率[1-2]。因此借鑒已有的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合煤礦井下采掘作業(yè)環(huán)境，以某型號采煤機為研究對象，開展采煤機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用研究工作，對于推動整個綜采工作面無人化工作具有重要的意義[3-4]。

1 LIN 總線技術特性

LIN 總線使用SCI/UART 協(xié)議，能夠配合大多數(shù)微控制器使用，具有很好的通用性。單線連接時的LIN 總線的物力結(jié)構(gòu)較為簡單，傳輸距離較遠，可達40 m 左右。在單主控制器配合多從機組結(jié)構(gòu)中不需額外配置仲裁機制，在網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中，主節(jié)點控制訪問物理線路，全部從節(jié)點均可接收命令并僅有一個做出響應。LIN 總線的編碼方式為NRZ，同時具有I2C 和RS232的性能，數(shù)據(jù)傳輸速率為20 kbit/s。應用時可以選擇奇偶校驗和求和校驗相結(jié)合的雙重校驗機制，具備自動檢測故障節(jié)點的功能。為了適應不同場合通信任務的要求，具有應答幀報文的數(shù)據(jù)域長度可設置功能。LIN 總線通信從節(jié)點的自我同步機制無需另外增設晶振器件，結(jié)構(gòu)調(diào)整靈活簡便，添加或者刪除從節(jié)點時，不需要改變從節(jié)點的軟件配置和硬件結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)總體設計

采煤機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計基于LIN 總線通信技術完成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括基于LIN 總線的采煤機控制鍵盤、遠程通訊設備和人機交互界面等部分。采煤機控制鍵盤主要完成采煤機運行狀態(tài)參數(shù)的采集工作，之后將采集得到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)LIN 總線傳輸至PLC 主機進行數(shù)據(jù)交換。遠程通訊模塊（A/B型）協(xié)同配合應用，確保煤炭巷道順槽控制中心和綜采工作面之間的雙向通訊與數(shù)據(jù)共享。人機交互界面用于顯示由綜采工作面采集得到的采煤機工況信息，并實時顯示數(shù)據(jù)或者視頻圖像[5-6]。

圖1 采煤機遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1 硬件設計

3.1.1 采煤機控制鍵盤

采煤機控制鍵盤的設計基于LIN 總線展開，控制信息的采集和傳輸由LIN 總線完成，經(jīng)過轉(zhuǎn)換模塊將控制信號轉(zhuǎn)換為DP 總線信號，即可實現(xiàn)與PLC的數(shù)據(jù)通訊。控制鍵盤總共設置28 個按鍵，還有一個三位的數(shù)碼管顯示窗口。配套采煤機控制鍵盤設計了基于LIN 總線技術的8 位數(shù)字量采集模塊DI和數(shù)字量輸出模塊DO。鍵盤內(nèi)部的組成包括4 個DI 模塊、1 個DO 模塊、1 個三位可編程數(shù)碼管顯示模塊、1 個DP-LIN 轉(zhuǎn)換模塊。控制信息由DI 模塊采集之后經(jīng)LIN 總線傳輸至DP-LIN 模塊完成信號的轉(zhuǎn)換，得到DP 總線信號，與PLC 進行數(shù)據(jù)交換。相反，PLC 將采煤機實施工藝參數(shù)信息傳輸至DP-LIN模塊完成信號的轉(zhuǎn)換，得到LIN 總線信號，經(jīng)DO 模塊輸出到數(shù)碼管顯示。

3.1.2 數(shù)字量采集模塊DI

數(shù)字量采集模塊DI 采用微控制器和LIN 總線接口芯片相結(jié)合的形式，微控制器選用了飛思卡爾MC9S08EL32型8 位低成本高性能微處理器，其作用是控制LIN 總線通信和采煤機各電機的動作，內(nèi)核型號為HCS08，支持多種操作模式，包括正常運行、主動后臺、等待、停止等模式。LIN 總線接口芯片采用的是LIN 總線協(xié)議，具有很好的匹配性，依據(jù)LIN2.1/SAEJ2602 規(guī)范能夠可靠地將控制器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為LIN 總線信號。數(shù)字量采集模塊單獨設置1 個撥碼開關，用于改變模塊地址信息，以便提高系統(tǒng)模塊的可操作性。

3.1.3 數(shù)字量輸出模塊DO

數(shù)字量輸出模塊DO 設計采用微控制器與LIN總線接口芯片相結(jié)合的形式，選擇型號為MC9SO8EL32的微處理器，配置和功能與數(shù)字量采集模塊DI 相同，選擇型號為TJA1021TLIN 總線接口芯片。數(shù)字量輸出模塊DO 設計過程與原理與數(shù)字量采集模塊DI 基本一致，僅在數(shù)字量輸出接口配置中存在一定差異，此處不再贅述。

3.1.4 三位可編碼數(shù)碼管

三位可編程數(shù)碼管工作時可以實時顯示采煤機工藝參數(shù)，驅(qū)動使用數(shù)碼管驅(qū)動及鍵盤控制芯片驅(qū)動相結(jié)合的形式，接收來自單片機的串行輸出、時鐘、加載信號，大大降低了單片機的輸出引腳的配置工作量。選擇型號為CH451的數(shù)碼管驅(qū)動及鍵盤控制芯片，具有對數(shù)碼管動態(tài)掃描驅(qū)動功能，同時，支持動態(tài)掃描極限范圍的設置，具備高速四線串行口，譯碼模式有不譯碼方式或BCD 譯碼兩種模式，可以提供up 監(jiān)控功能，如上電復位和看門狗等。

3.1.5 遠程通訊模塊

采煤機遠程通訊模塊使用礦用隔爆兼本安型VDSL2 通訊模塊，配置DSP 雙核處理器，運行主頻為400 MHz，具有較強的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力，滿足遠程監(jiān)控系統(tǒng)的通訊要求。工作過程中的電壓為12 V，工作電流不超過500 mA，具有IP54 防護等級，傳輸距離高達500 m 以上，足以滿足煤礦井上井下遠距離數(shù)據(jù)信息的傳送。同時VDSL2 通訊模塊自帶以太網(wǎng)通訊接口，具有很好的可擴展性，體積小、可靠性高，在煤礦通信設備中應用理想。

3.2 軟件設計

3.2.1 數(shù)字量采集模塊DI

數(shù)字量采集模塊DI 主程序的工作流程如圖2所示，開始運行即進入微控制器初始化處理，涉及時鐘、輸入/輸出接口、中斷等，之后設置一定的延時，開始數(shù)據(jù)無限循環(huán)采集過程。參考外部時鐘和總線分頻倍數(shù)，在外部振蕩器的高頻范圍內(nèi)完成時鐘初始化；輸入/輸出接口初始化過程完成設備地址輸入口、8 路數(shù)字量輸入端口和輸出口的定義，分別對應A 端口、C 端口和B 端口第五位；將復位接口配置成時鐘等待模式，啟用SLIC 模式并啟用SLIC 中斷標識，完成開中斷功能。

圖2 DI 主程序工作流程

3.2.2 數(shù)字量輸出模塊DO

數(shù)字量輸出模塊DO 主程序工作流程如圖3 所示，運行程序開始即進入初始化程序，涉及時鐘、輸入/輸出接口、LIN 接口控制器和中斷等。初始化之后進行數(shù)碼管功能的配置，如BCD 譯碼方式、關鍵盤開顯示等。通過一定時間的延時即進入數(shù)字量輸出無限循環(huán)程序。具體的初始化過程與數(shù)字量采集模塊DI 基本一致，此處不再贅述。

圖3 DO 主程序工作流程

4 采煤機監(jiān)控界面設計

人機交互界面主要接收采煤機工藝參數(shù)并實時顯示在液晶顯示器中供監(jiān)控人員觀察，實現(xiàn)采煤機的遠程監(jiān)控功能，同時，監(jiān)控人員也可以通過人機交互界面對井下采煤機發(fā)號施令，實現(xiàn)遠程控制功能。如下頁圖4、圖5 所示，給出了采煤機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的登錄界面和主控界面。監(jiān)控人員需要輸入自己的賬號和密碼，顯示登錄成功之后進入遠程監(jiān)控系統(tǒng)。打開遠程監(jiān)控系統(tǒng)主控界面，即可實時觀察井下采煤機的工藝參數(shù)、工作電壓、采煤機位置、行走方向等，供監(jiān)控人員監(jiān)視控制采煤機工作。

圖4 系統(tǒng)登錄界面

圖5 系統(tǒng)主監(jiān)控界面

5 應用效果評價

為了驗證采煤機遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計的合理性，將其應用于某煤炭企業(yè)服役中的采煤機中進行試運行，跟蹤記錄系統(tǒng)運行情況。應用結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了采煤機作業(yè)的遠程監(jiān)控功能，提高了煤炭采掘工作的安全性。統(tǒng)計結(jié)果顯示，相較于傳統(tǒng)采煤機操控模式，遠程控制系統(tǒng)應用后，采煤機操作維護人員減少3～4 人，降低了近15%的運行維護成本，提高了近10%的采煤機利用率，預計為企業(yè)新增經(jīng)濟效益近200 萬元/年，取得了很好的應用效果。