礦井采煤機動態(tài)智能報警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

楊凱

摘要：煤礦井下采煤機安全、高效循環(huán)運行依賴兩條主線有效控制完成，采煤機智能監(jiān)測系統(tǒng)的完善，可以幫助設(shè)備運行人員更好的操作設(shè)備，現(xiàn)有采煤機技術(shù)缺少多方面的監(jiān)測環(huán)節(jié)。本文提出了一種基于CAN總線的采煤機的智能報警系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計。本文參照徐工集團MG500采煤機、北方交通MG450等采煤機控制系統(tǒng)設(shè)計原理、設(shè)備相關(guān)參數(shù)及運行狀況進行對比研究。以現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)，AT89S52處理器為核心的智能組網(wǎng)設(shè)計，與一般的組網(wǎng)設(shè)計相比具有明顯的優(yōu)點，有著廣泛的工程機械應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：煤礦;CAN總線; 智能報警;采煤機

引言

采煤機智能報警系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計，是一個下位機模塊。系統(tǒng)以AT89S52為核心，基于CAN總線智能報警系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計，由鍵盤顯示與報警電路、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊組成。系統(tǒng)利用鍵盤顯示電路模擬網(wǎng)絡(luò)地址，當(dāng)被監(jiān)測點數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)將報警信號傳輸?shù)讲僮魇彝瑫r發(fā)出進行報警信號;網(wǎng)絡(luò)選用CAN現(xiàn)場總線，可以接收主站發(fā)送過來的命令，根據(jù)不同的命令，系統(tǒng)會做出相應(yīng)的處理。

本文主要是研制出一套適用與采煤機的信息監(jiān)測的裝置。系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能是實時采集采煤機監(jiān)測點數(shù)據(jù)并存儲、顯示、傳輸、報警與處置，因此主要內(nèi)容如下：礦用大型采煤機報警系統(tǒng)的硬件部分由數(shù)據(jù)采集模塊、微控制器模塊、通信模塊、報警電路模塊，鍵盤顯示模塊、電源模塊組成。利用Altium進行電路原理圖及印刷電路板的設(shè)計。

1采煤機智能報警系統(tǒng)的現(xiàn)狀及CAN現(xiàn)場總線

目前，國外己有許多煤礦開采都己開始采用CAN總線來實現(xiàn)采煤機內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。[1]CAN總線技術(shù)在我國的應(yīng)用起步比較晚，2003年開始采煤機監(jiān)測系統(tǒng)才被引入大型礦井采煤機監(jiān)測機制中，2008年現(xiàn)代化大型礦井的建設(shè)，該項技術(shù)得以發(fā)展推廣?，F(xiàn)場總線是用于過程自動化，將智能化現(xiàn)場設(shè)備與高層設(shè)備之間互聯(lián)，實現(xiàn)全數(shù)字、串行、雙向傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)?，F(xiàn)場總線主要有以下幾種類型：基金會現(xiàn)場總線（FF）、LonWorks、ProfiBus、CAN、HART，而其中CAN即控制器局域網(wǎng)因為具有高性能、高可靠性以及獨特的設(shè)計而越來越受到關(guān)注。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其基于CAN總線的采煤機智能報警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2.1所示。

其中采煤機智能報警系統(tǒng)的組網(wǎng)硬件電路分為5大模塊：電源模塊、CAN總線控制模塊、顯示模塊、報警模塊、單片機控制電路模塊。

2.2系統(tǒng)開發(fā)的軟件和硬件平臺

硬件平臺用兩個單片機最小系統(tǒng)的開發(fā)板，兩個CAN通信模塊搭建整個組網(wǎng)的模擬平臺，以一個單片機開發(fā)系統(tǒng)的鍵盤模擬報警信號的輸入信號，以便滿足軟件的調(diào)試，在硬件電路設(shè)計好以后，軟件設(shè)計則是最重要的一個設(shè)計部分，CAN總線所實現(xiàn)的智能化、集約化功能都是由軟件來完成的。

軟件開發(fā)環(huán)境：微處理器AT89S52可支持匯編語言和C語言，語言編程器Keil uVision4可以簡化編程，可讀性好，調(diào)試方便所以本系統(tǒng)軟件主程序采用C語言編寫，將編輯好的程序編譯后下載到單片機中實現(xiàn)軟硬件的聯(lián)調(diào)試。

3硬件電路設(shè)計

3.1系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，硬件設(shè)計的基本思路是以單片機為核心，根據(jù)需要添加相應(yīng)的功能電路。本裝置以AT89S52為核心，由5部分電路組成：電源模塊、CAN總線控制模塊、顯示模塊、報警模塊、單片機控制電路模塊。由以上5部分組成本硬件電路智能報警系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計

3.2處理器AT89S52

目前，總線接口電路的設(shè)計方法有如下兩種：一種是帶片內(nèi)CAN控制器的微控制器;另一種是微控制器與獨立的CAN控制器。本文選擇用ATmel公司生產(chǎn)的與MCS-51兼容的低功耗、高性能的CMOS8位微控制器AT89S52。

AT89S52具有如下特點：8kBytes Flash片內(nèi)程序存儲器，256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。

3.3電源部分

電源變換電路，外接交流電220V經(jīng)過變壓器降壓、橋式整流電路得到12V直流電壓。再經(jīng)電容濾波電路、三端穩(wěn)壓器7805得到5V電壓，用做系統(tǒng)電源。

3.4CAN總線的接口電路設(shè)計

硬件電路的設(shè)計主要是CAN通信控制器與微處理器之間和CAN總線收發(fā)器與物理總線之間的接口電路的設(shè)計。CAN通信控制器是CAN總線接口電路的核心，主要完成CAN的通信協(xié)議，而CAN總線收發(fā)器的主要功能是增大信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾（RFI），實現(xiàn)熱防護等。

本文所設(shè)計的CAN總線接口電路是采用TJA1050作為微處理器，CAN總線通信接口中采用PHILIPS公司的獨立CAN通訊控制器MCP2515和高性能CAN總線收發(fā)器TJA1050。CAN總線接口框圖3.1所示。

MCP2515在電路中是一個總線接口芯片，通過它實現(xiàn)上位機與現(xiàn)場微處理器之間的數(shù)據(jù)通信。該電路的主要功能是通過CAN總線接收來自上位機的數(shù)據(jù)命令，然后分析判斷接收數(shù)據(jù)的內(nèi)容，下位機將決定做出什么樣的處理，當(dāng)CAN總線接口接收到下位機的上傳數(shù)據(jù)， MCP2515就產(chǎn)生一個中斷，引發(fā)微處理器產(chǎn)生中斷，通過中斷處理程序接收每一幀信息并通過CAN 總線上傳給上位機進行分析。TJA1050是CAN總線接口電路的核心，其承擔(dān)CAN 控制器的初始化、CAN的收發(fā)控制等任務(wù)。

AT89S52是CAN總線接口電路的核心，其承擔(dān)CAN控制器的初始化、CAN的收發(fā)控制等任務(wù)。在電路圖中，AT89S52單片機的P1.0-P1.4端分別控制MCP2515的RST、CS、SO、SI、SCK端。MCP2515與單片機之間用SPI串行通信方式，P1.1控制片選信號CS，當(dāng)CS接到低電平時，MCP2515 被選中，CPU可對MCP2515進行讀/寫操作。

3.5報警電路設(shè)計

聲光報警電路主要由有源蜂鳴器、發(fā)光二極管及其驅(qū)動三極管組成。當(dāng)被監(jiān)測的傳感器接發(fā)出報警模擬信號， 蜂鳴器鳴叫， 同時發(fā)光二極管也亮起來。系統(tǒng)報警電路由P2.0引腳驅(qū)動，當(dāng)單片機判斷有上面的情況發(fā)生時， P2.0輸出低電平，使圖中的Q2導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音，發(fā)光二極管發(fā)出光。圖中R21為上拉電阻，在系統(tǒng)上電或管腳初始化時防止管腳出現(xiàn)瞬時低電平而引發(fā)的誤觸發(fā)，造成錯誤報警。D3起保護蜂鳴器作用。

結(jié)束語

（1）了解目前智能系統(tǒng)監(jiān)控裝置在采煤機應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展，初步確定系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能。分析了現(xiàn)場總線技術(shù)的特點和優(yōu)點，通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，提出了基于CAN總線的礦井采煤機監(jiān)測智能系統(tǒng)的組網(wǎng)實現(xiàn)方式。

（2）重點智能系統(tǒng)的組網(wǎng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，并在CAN總線技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于CAN總線的組網(wǎng)系統(tǒng)。并詳細介紹了軟、硬件開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)方法。

（3）本文的不足之處，沒有將此技術(shù)及試驗平臺在相關(guān)采煤機上進行安裝和現(xiàn)場試驗，對系統(tǒng)功能實現(xiàn)和效果評估沒有相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，希望今后將此研究理論應(yīng)用到設(shè)備上，通過試用為系統(tǒng)升級提供數(shù)據(jù)支持。

參考文獻

[1] 楊春杰. CAN總線技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[2] 張平.AT89S52單片機基礎(chǔ)項目教程[M].北京理工大學(xué)出版社.2017

[3] 丁華.采煤機動力學(xué)分析方法與系統(tǒng)[M].科學(xué)出版社. 2019