李國(guó)富 王然風(fēng) 閆 明

(太原理工大學(xué)，山西省太原市，030024)

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★ 煤炭科技·機(jī)電與信息化 ★

基于ARM的嵌入式帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李國(guó)富 王然風(fēng) 閆 明

(太原理工大學(xué)，山西省太原市，030024)

針對(duì)煤礦井下帶式輸送機(jī)的PLC控制系統(tǒng)成本高、能耗大以及部分單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行不夠穩(wěn)定和通信方式少等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于ARM的嵌入式帶式輸送機(jī)綜合控制保護(hù)系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、通訊設(shè)計(jì)、主控制器硬件設(shè)計(jì)以及主控制器軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機(jī)的自動(dòng)控制和穩(wěn)定運(yùn)行。

帶式輸送機(jī) 嵌入式 綜合保護(hù) 控制系統(tǒng)

目前的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)主要分為兩種，一種是以PLC為主控制器配以外圍的驅(qū)動(dòng)電路和防爆外殼組成，這種控制器存在體積龐大、制造成本高以及日常維修和運(yùn)輸不方便等問題；另一種是以單片機(jī)為主控芯片的控制器，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定以及通信功能不夠完善。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM嵌入式平臺(tái)的帶式輸送機(jī)保護(hù)控制器，該控制器能夠有效地解決PLC控制系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)的弊端。此外，由于采煤工作面環(huán)境復(fù)雜，采用有線通訊會(huì)有很多限制，為了解決此問題，本文在ARM嵌入式平臺(tái)的基礎(chǔ)上加入了無(wú)線通信和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線信號(hào)傳輸并支持井下移動(dòng)巡檢設(shè)備的信號(hào)采集。

1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ARM的嵌入式帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集帶式輸送機(jī)在運(yùn)行時(shí)的電氣參數(shù)、帶速、電機(jī)軸溫、膠帶跑偏、撕裂、斷帶以及煙霧等各項(xiàng)參數(shù)。控制主站負(fù)責(zé)處理收集到的數(shù)據(jù)以及與上位機(jī)和控制分站進(jìn)行通信，控制主站與上位機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)通信，與下位機(jī)通過(guò)CAN通信?；贏RM的嵌入式帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 主控制器硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)主控制器以ARM芯片為核心控制其它模塊工作，正中心是CPU，然后是中間的SDRAM存儲(chǔ)器、FLISH、IO擴(kuò)展芯片和復(fù)位線路等。最外圍的模塊包括了電源模塊、輸入輸出接口模塊、時(shí)鐘模塊、以太網(wǎng)、CAN、RS485通訊模塊、JTAG下載調(diào)試模塊等。主控制器硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 基于ARM的嵌入式帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 主控制器硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 微處理器選型

主控芯片是NXP公司2011年推出的LPC系列微控制器，型號(hào)為L(zhǎng)PC1788。該芯片是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位處理器。內(nèi)部具有512 KB FLASH、96 KB SRAM和4 KB EEPROM，主頻為120 MHz，帶有USB、CAN、以太網(wǎng)、串口等豐富的通用外設(shè)，這款處理器的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部集成LCD控制器和SDRAM控制芯片，可以大大減少系統(tǒng)電路中除CPU以外的接口電路配置，降低了成本。

2.2 輸入輸出模塊

2.2.1 模擬量輸入模塊

本系統(tǒng)需要采集的模擬量包括電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、減速器軸溫、膠帶的實(shí)時(shí)速度、滾筒溫度等。速度傳感器和溫度傳感器發(fā)出的是4～20 mA電流信號(hào)，而單片機(jī)只識(shí)別0～3.3 V的電壓信號(hào)，所以需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的電壓信號(hào)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的模擬量輸入調(diào)理電路，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的電壓信號(hào)。

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，各種干擾信號(hào)層出不窮，因此隔離模塊是非常必要的。目前市面上已有比較成熟的模擬量光電隔離模塊，線性度完全能夠滿足工業(yè)需求。本設(shè)計(jì)采用Avago Technology公司開發(fā)的一款高線性度模擬光電耦合器HCNR201，其內(nèi)部集成1個(gè)發(fā)光二極管和2個(gè)高度相似的光敏電阻，當(dāng)有信號(hào)傳來(lái)時(shí)二極管發(fā)光，2個(gè)光敏電阻產(chǎn)生大小相同的電流。左端的光敏電阻產(chǎn)生的電流作為負(fù)反饋返回到運(yùn)放的反向輸入端，這樣盡可能地增加隔離模塊的線性，右端光敏電阻產(chǎn)生的電流用于輸出回路。而前后2個(gè)運(yùn)放設(shè)計(jì)為射極跟隨器，對(duì)信號(hào)沒有放大作用。C3和R10Z組成的并聯(lián)振蕩電路可以有效的消除電路中的諧波，經(jīng)由隔離后的信號(hào)最后輸入到控制器的GPIO口。由單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。模擬量線性隔離電路如圖3所示。

圖3 模擬量線性隔離電路

2.2.2 開關(guān)量輸入輸出模塊

開關(guān)量輸入主要包括信號(hào)采集、電氣隔離和數(shù)據(jù)緩存三大部分。開關(guān)量輸入電路圖如圖4所示。

圖4 開關(guān)量輸入電路圖

由圖4可以看出，帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的開關(guān)量干接點(diǎn)輸入信號(hào)包括斷帶、撕裂、跑偏、打滑。當(dāng)信號(hào)源沒有信號(hào)時(shí)相當(dāng)于開關(guān)斷開，此時(shí)電路接通發(fā)光二極管不發(fā)光，二極管對(duì)面的光敏電阻阻值很大右邊電路不導(dǎo)通，由于存在上拉電阻，此時(shí)GPIO接受到高電平信號(hào)，當(dāng)信號(hào)源有信號(hào)傳來(lái)時(shí)相當(dāng)于開關(guān)閉合，GPIO接收到低電平信號(hào)，也就是當(dāng)GPIO端電平由高到低發(fā)生跳變時(shí)表示傳感器有信號(hào)傳來(lái)。電容C249是用于消除諧波，74LVC07A為信號(hào)緩存器，當(dāng)信號(hào)傳來(lái)CPU正忙時(shí)可以暫時(shí)存放信號(hào)，等待CPU的讀取。

同樣數(shù)字量輸出模塊也分為數(shù)據(jù)緩存、光電隔離和數(shù)據(jù)采集等模塊，工作機(jī)理與輸入模塊相同。

3 控制系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)

3.1 CAN通訊

LPC1788內(nèi)部集成有兩路CAN通訊，基于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜要求設(shè)計(jì)的CAN通訊安全并且穩(wěn)定性高，本系統(tǒng)為了提高抗干擾能力在CPU與外部端口之間加入了光電隔離模塊，為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性在數(shù)據(jù)進(jìn)出CPU時(shí)要經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)緩存器，以此來(lái)保證數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。

3.2 以太網(wǎng)通信

LPC1788帶有一個(gè)完全符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.3的以太網(wǎng)模塊，完全兼容802.3X全雙工流控和半雙工背壓技術(shù)。本設(shè)計(jì)用到的以太網(wǎng)接口芯片為SMSC公司生產(chǎn)的LAN8702AI，且其可以支持HP Auto-MDIX的小引腳RMII 10/100以太網(wǎng)收發(fā)器。其中MDIX接口可以自動(dòng)識(shí)別雙絞線的類型是交叉和平行，使用較為方便。

3.3 無(wú)線通訊

本系統(tǒng)采用了兩種無(wú)線通訊模式，一種是基于射頻的無(wú)線傳輸方式，另一種是基于4G的無(wú)線網(wǎng)通信。

3.3.1 射頻無(wú)線通信

目前，煤礦井下逐步普及移動(dòng)巡檢設(shè)備，為了方便礦用巡檢設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)加入了射頻無(wú)線。射頻無(wú)線采用CC2420芯片，該芯片支持IEEE802.15.4射頻收發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)部集成了完整的發(fā)射和就收電路。有效數(shù)據(jù)速率為250 kbps,供電電壓為2.1～3.6 V，工作頻率范圍為2.4 GHz，射頻輸出功率高達(dá)9 dB，而待機(jī)模式時(shí)代電流消耗僅17.4 mA，因此非常適合用于煤礦等環(huán)境比較復(fù)雜的行業(yè)設(shè)備。該芯片還支持國(guó)際通用的SPI串行接口模式，可以非常方便的與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。射頻無(wú)線模塊與CPU連接示意圖如圖5所示。

圖5 射頻無(wú)線模塊與CPU連接示意圖

3.3.2 4G通信

為了實(shí)現(xiàn)更好的兼容性，本系統(tǒng)還添加了4G通信模塊，以中興公司的EM3760芯片為核心設(shè)計(jì)，該芯片支持4G TDD-LTE/FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)全頻段，通過(guò)UART與LPC1788通信。LPC1788通過(guò)串口AT命令實(shí)現(xiàn)對(duì)EM3760數(shù)據(jù)通訊。其下載速度能夠達(dá)到100M bps，上傳速度也能達(dá)到20 Mbps，完全能夠滿足煤礦井下的數(shù)據(jù)傳輸要求。數(shù)據(jù)可經(jīng)由井下無(wú)線網(wǎng)關(guān)上傳到井下以太環(huán)網(wǎng)，再由環(huán)網(wǎng)上傳到地面監(jiān)控室。4G模塊與CPU連接示意圖如圖6所示。

圖6 4G模塊與CPU連接示意圖

4 主控制器軟件設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思路

嵌入式芯片的優(yōu)點(diǎn)就是可以適配實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，傳統(tǒng)的單片機(jī)采用裸程序，這種結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)性較差，另外由于所有的任務(wù)都嵌套在一個(gè)大循環(huán)里，一旦有地方出現(xiàn)故障將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)程序崩潰。

本系統(tǒng)在處理器上搭載UC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以方便地將帶式輸送機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)的整體功能按照優(yōu)先級(jí)劃分為幾個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的線程。CPU的使用權(quán)在這幾個(gè)線程之間不斷切換，CPU的性能能夠得到最大化的利用，并且系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，性能提升顯著。

4.2 系統(tǒng)主程序流程

在main函數(shù)中首先初始化系統(tǒng)時(shí)鐘和硬件，然后調(diào)用初始化函數(shù)OSInit，初始化UC/OS-II的數(shù)據(jù)變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，接下來(lái)創(chuàng)建一個(gè)起始任務(wù)START_TASK，在該任務(wù)里創(chuàng)建5個(gè)子任務(wù)，分別包括main_task、就地模式子任務(wù)、檢修模式子任務(wù)、點(diǎn)動(dòng)模式子任務(wù)、集控模式子任務(wù)。優(yōu)先級(jí)分別為2、3、4、5，最后調(diào)用OSStart函數(shù)，啟動(dòng)多任務(wù)。其他各個(gè)子任務(wù)與main_task任務(wù)之間通過(guò)信號(hào)量郵箱通信，當(dāng)工人選擇使用模式后，其他3個(gè)子任務(wù)就處于掛起狀態(tài)，程序不再執(zhí)行。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

帶式輸送機(jī)的啟停步驟較為復(fù)雜，啟動(dòng)時(shí)要遵循先下后上的原則，由下級(jí)到上級(jí)逐次啟動(dòng)，而正常停機(jī)時(shí)又要遵循先上后下的原則，并且要求帶式輸送機(jī)上不能留煤。當(dāng)整個(gè)環(huán)節(jié)中的某一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)也要先停上級(jí)設(shè)備，這是必須遵循的啟停原則。

4.3 中斷處理子程序設(shè)計(jì)

由于煤礦環(huán)境的特殊性，所以要求控制器必須能夠?qū)捷斔蜋C(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)故障做出及時(shí)有效的處理。這就對(duì)程序的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)提出了很大的要求，為了處理的快速性，這里將故障處理全部設(shè)計(jì)為中斷子程序，根據(jù)故障的優(yōu)先級(jí)別來(lái)定義中斷子程序的搶占優(yōu)先級(jí)。其中堆煤、超速、打滑、斷帶、急停為最高優(yōu)先級(jí)，如果發(fā)生這些故障時(shí)必須及時(shí)停車；其次是跑偏、超溫、煙霧等故障，這些故障發(fā)生時(shí)帶式輸送機(jī)不必立即停車，當(dāng)工人無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)處理時(shí)可以手動(dòng)停車。以急停處理子程序?yàn)槔?，急停模塊與CPU之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信，當(dāng)有急停觸發(fā)時(shí)會(huì)觸發(fā)CAN外部中斷，程序進(jìn)入CAN中斷后首先判斷中斷是否確實(shí)發(fā)生，如果是則清除中斷標(biāo)志位，然后執(zhí)行中斷程序，根據(jù)發(fā)來(lái)的地址編碼確定發(fā)生急停的具體位置，尤其是當(dāng)有多條帶式輸送機(jī)或帶式輸送機(jī)較長(zhǎng)時(shí)，通過(guò)快速故障定位能夠提高維修效率，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)具有重要意義。急停中斷處理子程序流程示意圖如圖8所示。

圖8 急停中斷處理子程序流程示意圖

5 測(cè)試與分析

基于ARM的嵌入式帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后在地面進(jìn)行了穩(wěn)定性測(cè)試和系統(tǒng)功能測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中模擬故障發(fā)生的條件讓傳感器產(chǎn)生故障信號(hào)，試驗(yàn)表明控制器能夠發(fā)出及時(shí)處理故障信號(hào)，并且界面顯示正常。將溫度傳感器溫度提升到報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)控制電磁閥動(dòng)作，灑水噴頭開始灑水。通過(guò)一系列測(cè)試表明，系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

為了測(cè)試無(wú)線通信，在旁邊放置干擾的情況下通過(guò)無(wú)線模塊由一臺(tái)控制器向另一臺(tái)發(fā)送消息，試驗(yàn)結(jié)果表明，另一臺(tái)控制器能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的接收信息，說(shuō)明無(wú)線網(wǎng)通信正?？煽?。為了模擬井下多干擾的環(huán)境，在主控制器旁釋放干擾信號(hào)，觀察系統(tǒng)能否正常動(dòng)作，測(cè)試結(jié)果見表1，系統(tǒng)功能全部運(yùn)行正常，誤報(bào)率為0，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表1 保護(hù)次數(shù)統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)語(yǔ)

綜合了體積、成本、能耗、穩(wěn)定性和使用方便性等各方面因素，基于ARM的嵌入式帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)控制系統(tǒng)能夠時(shí)滿足各方面需求，并且具備良好的可擴(kuò)展性，尤其是兩種無(wú)線通信方式的加入更加方便了井下的信號(hào)傳輸，使局部條件惡劣不利于布線的地方的信號(hào)傳輸成為可能。隨著科技的發(fā)展，本系統(tǒng)還會(huì)不斷的改進(jìn)，以便進(jìn)一步增進(jìn)煤礦生產(chǎn)的數(shù)字化和智能化。

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Design of integrated protection and control system of embedded belt conveyer based on ARM

Li Guofu, Wang Ranfeng, Yan Ming

(Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

For PLC control system of belt conveyor in coalmine, the cost was high, the energy consumption was large, the control system of Single Chip Micyoco (SCM) was not stable enough, and its communication mode was less. Aiming at these weaknesses, the authors designed a set of integrated protection and control system of embedded belt conveyer based on ARM, introduced its overall design, communication design, main controller hardware and software design. Test results showed that the system could accurately collect various runtime parameters of belt conveyer and realized automatic control and stable operation of belt conveyer.

belt conveyer, embedded, integrated protection, control system

李國(guó)富，王然風(fēng)，閆明. 基于ARM的嵌入式帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)煤炭，2017，43(4)：95-98，131. Li Guofu, Wang Ranfeng, Yan Ming. Design of integrated protection and control system of embedded belt conveyer based on ARM[J].China Coal，2017，43(4)：95-98，131.

TD634.1

A

李國(guó)富(1990-)，男，山西大同人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)锳RM嵌入式開發(fā)和煤礦電氣智能化。