基于CAN總線的掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)步，機(jī)械控制技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。掘進(jìn)機(jī)作為煤炭井下開采作業(yè)的重要設(shè)備，其控制的先進(jìn)性直接關(guān)系著掘進(jìn)機(jī)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(dá)國家的掘進(jìn)機(jī)控制技術(shù)較為先進(jìn)，涉及各種監(jiān)測(cè)和檢測(cè)等參數(shù)，操作安全可靠，而國內(nèi)的掘進(jìn)機(jī)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(cái)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(dá)國家20世紀(jì)90年代的發(fā)展階段，仍需要投入更多的研究力量[4]。當(dāng)前煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)開展掘進(jìn)工作的控制，雖然PLC控制具有較多的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)某煤炭企業(yè)服役中的掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究具有重要的意義。

1 掘進(jìn)機(jī)組成及控制情況

煤礦掘進(jìn)機(jī)主要由截割系統(tǒng)、裝運(yùn)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示為掘進(jìn)機(jī)外觀。截割系統(tǒng)涉及截割電機(jī)、減速器、截割滾筒、截割頭等，實(shí)現(xiàn)煤巖截割功能；裝運(yùn)系統(tǒng)涉及耙裝部、減速機(jī)、中間輸送機(jī)等，完成煤炭截割落下的裝載與運(yùn)輸工作；行走系統(tǒng)涉及液壓馬達(dá)、減速機(jī)、主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪、履帶等，負(fù)責(zé)煤炭掘進(jìn)時(shí)的推進(jìn)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(cè)控制界面等，確保掘進(jìn)機(jī)正常工作且實(shí)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(jìn)一步改進(jìn)提高其控制系統(tǒng)。

圖1 掘進(jìn)機(jī)外觀

2 總體方案設(shè)計(jì)

引入先進(jìn)的CAN總線技術(shù)，完成了掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)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(dú)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(gè)控制節(jié)點(diǎn)均具有獨(dú)立的監(jiān)控內(nèi)容，各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之間處于一個(gè)水平狀態(tài)，通信方式一致。截割滾筒位置的振動(dòng)信號(hào)，配置獨(dú)立的采集節(jié)點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)信息保存至SD卡，存儲(chǔ)情況由CAN總線實(shí)時(shí)傳輸振動(dòng)信號(hào)，截割滾筒擺動(dòng)信號(hào)采集同樣使用獨(dú)立的處理器，由CAN總線與主控制器之間完成信息通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)擺速的監(jiān)視和控制。

圖2 掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體控制方案

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(dá)100 MHz。外部引腳配置如下：Flash存儲(chǔ)器內(nèi)存為512 kB，同時(shí)具有64 kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jī)控制PWM及編碼器接口；I/O接口配置了獨(dú)立電池供電的超低功耗RTC和通用I/O接口70余個(gè)；定時(shí)器為4個(gè)通用定時(shí)器。

3.2 CAN總線收發(fā)模塊

CAN總線收發(fā)模塊作為實(shí)時(shí)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(qiáng)，收發(fā)速率可達(dá)1 Mbit/s。具有兼容ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，多節(jié)點(diǎn)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(hù)和開路失效保護(hù)的功能，能夠有效抵抗瞬間干擾和保護(hù)總線的功能。與此同時(shí)，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(cè)整個(gè)掘進(jìn)機(jī)的電控系統(tǒng)，以及煤炭掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和周圍環(huán)境因素的變化情況，與此同時(shí)，也可以實(shí)時(shí)控制掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集模塊涉及多類傳感器元件、信號(hào)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(dòng)電路和各種執(zhí)行控制器等。與此同時(shí)，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。控制模塊的作用是操作增高掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的掘進(jìn)動(dòng)作，必須確保通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，才能更好地實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)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(jī)溫度監(jiān)測(cè)傳感器選擇PT100，接線采用四線制，標(biāo)定之后每攝氏度對(duì)應(yīng)5 mV，近似線性變化規(guī)律。電機(jī)電流監(jiān)測(cè)選擇電流互感器，既能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)過流、過載等故障監(jiān)測(cè)，還能完成斷相監(jiān)測(cè)。瓦斯監(jiān)測(cè)選擇瓦斯傳感器，運(yùn)行時(shí)若瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，控制器會(huì)發(fā)出瓦斯超標(biāo)報(bào)警信號(hào)。液壓系統(tǒng)油位和油溫監(jiān)測(cè)采用帶熱敏觸點(diǎn)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(cè)采用壓力開關(guān)，當(dāng)噴霧壓力超過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定數(shù)值時(shí)，壓力開關(guān)開啟，對(duì)其進(jìn)行泄壓處理，當(dāng)噴霧壓力降低至標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值時(shí)，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(jì)

4.1 軟件結(jié)構(gòu)

掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)時(shí)采集掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓、電流、壓力、溫度等參數(shù)實(shí)時(shí)值，與此同時(shí)，也要采集控制系統(tǒng)中的接觸器、漏電保護(hù)器等開關(guān)量信號(hào)。將信號(hào)接入轉(zhuǎn)換接口濾波之后進(jìn)行存儲(chǔ)，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(jì)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(jìn)行初始化并完成通道選擇，之后啟動(dòng)數(shù)據(jù)采樣程序開始實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)。采樣結(jié)束之后進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，設(shè)定提取100點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)提取的100點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。首先去掉10個(gè)最小值和10個(gè)最大值，對(duì)剩余的80組數(shù)據(jù)取平均值即為實(shí)時(shí)采樣的數(shù)值。以相同的數(shù)據(jù)采集流程進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)電壓、電流、壓力等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，使掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控人員及時(shí)獲取各類參數(shù)的實(shí)時(shí)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(yùn)行的基礎(chǔ)，與此同時(shí)，LPC1768內(nèi)部CAN總線控制器內(nèi)部配置也需要熟悉。程序運(yùn)行時(shí)的第一步需要對(duì)CAN總線控制器配置的輸出引腳進(jìn)行初始化處理，配置合適的CAN總線時(shí)鐘頻率，將波特率寄存器和濾波寄存器的運(yùn)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(duì)應(yīng)的中斷引腳、電平下降沿和中斷的優(yōu)先級(jí)，然后將定時(shí)器打開，配置合適的定時(shí)器周期和數(shù)據(jù)格式。最后進(jìn)行收發(fā)標(biāo)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(duì)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(zhǔn)確，就直接存入寄存器；相反的一旦存在問題，程序自動(dòng)發(fā)送錯(cuò)誤代碼，及時(shí)清空錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的內(nèi)存。

5 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

圖6 通信程序

為了驗(yàn)證基于CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)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(jìn)機(jī)，跟蹤記錄其運(yùn)行情況。應(yīng)用結(jié)果表明，掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，具有很好的遠(yuǎn)程操控功能，未曾出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，相較于未安裝監(jiān)控系統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)的投入使用，節(jié)省了設(shè)備運(yùn)行維護(hù)人員2～3名，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的故障或故障趨勢(shì)，降低了掘進(jìn)機(jī)較大事故的出現(xiàn)概率，節(jié)約備品備件成本近8%，掘進(jìn)機(jī)有效工作時(shí)間增加了近10%，大大降低了煤炭掘進(jìn)成本，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)節(jié)約經(jīng)濟(jì)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(jìn)機(jī)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(jìn)性和可靠性至關(guān)重要。針對(duì)某煤炭企業(yè)服役中的掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。應(yīng)用結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)作業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(yùn)維人員，節(jié)約了8%的備品備件，掘進(jìn)機(jī)有效工作時(shí)間提高近10%，為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近百萬元。