王德勝，米 娜（淮南礦業(yè)（集團(tuán)）公司謝一礦，安徽 淮南 232001）

基于CAN總線(xiàn)皮帶機(jī)控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制器的研究

王德勝，米 娜（淮南礦業(yè)（集團(tuán)）公司謝一礦，安徽 淮南 232001）

分析了CAN總線(xiàn)技術(shù)以及煤礦井下皮帶機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)特點(diǎn)，針對(duì)皮帶機(jī)控制系統(tǒng)的需要設(shè)計(jì)并應(yīng)用了CAN總線(xiàn)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制器，為井下及任何場(chǎng)所的皮帶機(jī)控制系統(tǒng)提供了組建的便利，并同時(shí)應(yīng)用了μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)為皮帶機(jī)控制系統(tǒng)增加了可靠性，為CAN總線(xiàn)在皮帶機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

CAN總線(xiàn)技術(shù)；皮帶機(jī)控制；遠(yuǎn)程控制器

1 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，煤礦自動(dòng)化程度越來(lái)越高。井下皮帶機(jī)控制系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，不僅能在現(xiàn)場(chǎng)控制，而且能在地面控制中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和檢測(cè)各種數(shù)據(jù)參數(shù)。國(guó)內(nèi)大多數(shù)的皮帶機(jī)控制系統(tǒng)用的是CAN總線(xiàn)技術(shù)。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)安裝完成后，如果由于現(xiàn)場(chǎng)的需要，在遠(yuǎn)離控制器的地點(diǎn)增加設(shè)備，并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和檢測(cè)功能，就需要增加一個(gè)CAN總線(xiàn)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制器，并且該控制器不僅能實(shí)現(xiàn)各種控制功能，而且能夠根據(jù)需要隨時(shí)增加各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集傳感器。

2CAN總線(xiàn)

2.1 CAN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)是一種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，主要用于各種過(guò)程檢測(cè)及控制。1990年由德國(guó)Bosch公司為汽車(chē)監(jiān)測(cè)和控制而設(shè)計(jì)，目前CAN已逐步推廣為一種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)ISO-11898國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高，且開(kāi)發(fā)工具廉價(jià)的特點(diǎn)。Motorola、Intel、Philips等公司都為其提供硬件支持。

CAN總線(xiàn)系統(tǒng)是由許多CAN節(jié)點(diǎn)組成，CAN總線(xiàn)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，其總線(xiàn)總長(zhǎng)度最大為10km。CAN總線(xiàn)可以通過(guò)鏈接設(shè)備（Linking Device）與上層網(wǎng)絡(luò)相連，上層網(wǎng)絡(luò)可以是信息網(wǎng)或其它標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)。

CAN總線(xiàn)協(xié)議遵從OSI模型，其數(shù)據(jù)鏈路層和物理層由CAN2.0協(xié)議規(guī)范描述。CAN2.0協(xié)議規(guī)范沒(méi)有描述CAN總線(xiàn)協(xié)議的應(yīng)用層，所以，其應(yīng)用層需要另行構(gòu)建。

2.2 CAN總線(xiàn)結(jié)構(gòu)

CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)由微處理器系統(tǒng)、CAN控制器、CAN總線(xiàn)收發(fā)器三部分組成。CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)組成及連接示意圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)組成及連接示意圖

節(jié)點(diǎn)中微處理器系統(tǒng)由微處理器和本地應(yīng)用電路構(gòu)成，微處理器是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制中心，本地應(yīng)用電路與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連，節(jié)點(diǎn)中CAN收發(fā)器與CAN總線(xiàn)相連，CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和總線(xiàn)的關(guān)鍵。

CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)具有兩個(gè)重要功能，即總線(xiàn)通信功能和本地控制功能?？偩€(xiàn)通信功能完成與總線(xiàn)上其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸；本地控制功能完成對(duì)與本節(jié)點(diǎn)相連的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。節(jié)點(diǎn)加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備構(gòu)成了一個(gè)控制系統(tǒng)，而且是具有通信功能的控制系統(tǒng)，CAN總線(xiàn)是將眾多這樣的控制系統(tǒng)連接在一起的信息通道，采用CAN總線(xiàn)技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)，這體現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的本質(zhì)。

2.3 CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)

（1）CAN可以是對(duì)等結(jié)構(gòu)，即多主機(jī)工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通訊方式靈活。

（2）CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可以分為不同的優(yōu)先級(jí)，滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)需要。

（3）CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)停止發(fā)送，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

（4）CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通訊距離最遠(yuǎn)10km(5kb/s)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目可達(dá)110個(gè)。

（5）CAN采用的是短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，具有CRC校驗(yàn)和其它檢測(cè)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)幾率小。CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，不會(huì)影響總線(xiàn)上其它節(jié)點(diǎn)操作。

（6）通訊介質(zhì)采用廉價(jià)的雙絞線(xiàn)，無(wú)特殊要求，用戶(hù)接口簡(jiǎn)單，容易構(gòu)成用戶(hù)系統(tǒng)。

3 總體方案設(shè)計(jì)

3.1 需求及技術(shù)分析

皮帶機(jī)是在一定的線(xiàn)路上連續(xù)運(yùn)輸煤炭或者其他物料的物料搬運(yùn)機(jī)械，又成為連續(xù)輸送機(jī)，皮帶機(jī)可以進(jìn)行水平、傾斜和垂直輸送，也可組成空間輸送路線(xiàn)，輸送線(xiàn)路一般是固定的。

井下的出煤系統(tǒng)基本都是用皮帶機(jī)出煤，根據(jù)煤礦安全規(guī)程規(guī)定皮帶機(jī)必須安裝皮帶機(jī)控制系統(tǒng)和皮帶機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。

皮帶機(jī)控制系統(tǒng)中可以包含保護(hù)系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)中，可以控制幾條皮帶機(jī)，組成空間出煤系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中不僅要同時(shí)控制幾條皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置、漲緊裝置以及沿線(xiàn)中相應(yīng)的滅塵系統(tǒng)、散水系統(tǒng)等，而且要控制皮帶機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中的溫度保護(hù)、煙霧保護(hù)、速度保護(hù)、滿(mǎn)煤保護(hù)、跑偏保護(hù)、縱撕保護(hù)、沿線(xiàn)緊急停車(chē)等8大保護(hù)系統(tǒng)。

在整個(gè)皮帶機(jī)控制系統(tǒng)中，必須由一個(gè)控制中心控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，則在皮帶機(jī)沿線(xiàn)中控制的相關(guān)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作就要交給遠(yuǎn)程控制器，由遠(yuǎn)程控制器來(lái)完成，各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制功能、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集功能和現(xiàn)場(chǎng)各種保護(hù)功能。

3.2 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用主/從結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2所示。其中主機(jī)通過(guò)CAN總線(xiàn)適配器與CAN總線(xiàn)相連，遠(yuǎn)程控制器采用統(tǒng)一供電方式，終端是CAN總線(xiàn)所要求的安裝在總線(xiàn)的兩端。遠(yuǎn)程控制器1至遠(yuǎn)程控制器n是CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)，主要完成各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制功能和被控量的采集以及與主機(jī)的通信。

主機(jī)采用查詢(xún)方式訪(fǎng)問(wèn)遠(yuǎn)程控制器，數(shù)據(jù)的采集工作在遠(yuǎn)程控制器中完成，完成后供主機(jī)讀取?？偩€(xiàn)的最大長(zhǎng)度可以達(dá)到10km，這一長(zhǎng)度完全可以滿(mǎn)足目前皮帶機(jī)控制系統(tǒng)的要求。

在正常系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，遠(yuǎn)程控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行主機(jī)的命令和采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，比如執(zhí)行主機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)的部分啟動(dòng)器以及CST和CSB等，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)際數(shù)據(jù)控制降溫系統(tǒng)和滅塵系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

每個(gè)遠(yuǎn)程控制器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要安裝被控設(shè)備或者采集數(shù)據(jù)情況，相應(yīng)安裝遠(yuǎn)程控制器。由于系統(tǒng)要統(tǒng)一供電，故不能使用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，則沿途采用4芯線(xiàn)連接各個(gè)控制器，這樣系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性方面比較高。

4 遠(yuǎn)程控制器軟硬件設(shè)計(jì)

4.1 遠(yuǎn)程控制器硬件設(shè)計(jì)

CAN遠(yuǎn)程控制器硬件采用的是PHILIPS公司的LPC2119，該芯片基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU，并帶有128/256k字節(jié)(kB)嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30%，而性能的損失卻很小。

LPC2119采用非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、2路CAN、PWM通道、46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷。并且內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口。

在LPC2119內(nèi)部含有2路CAN控制器，只需在外部連接一個(gè)CAN收發(fā)器即可，為增加抗干擾能力，在LPC2009和CAN收發(fā)器之間增加光電隔離器件。該系統(tǒng)選擇目前應(yīng)用比較廣泛的 Philips公司接收器82C250和通用6N137光電隔離器件。硬件結(jié)構(gòu)如圖3。

同時(shí)在該遠(yuǎn)程控制器中增加簡(jiǎn)單的電源及狀態(tài)指示功能和簡(jiǎn)單的故障報(bào)警功能。

4.2 遠(yuǎn)程控制器軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制器軟件采用移植μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS）作為系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可裁減性好等特點(diǎn)。

圖3 遠(yuǎn)程控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

μC/OS-II操作系統(tǒng)包括了任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量管理、事件管理、郵箱消息管理、消息隊(duì)列管理、內(nèi)存管理、事件標(biāo)志組管理等幾個(gè)部分。μC/OS-II只占用了很小的存儲(chǔ)空間，并可高度裁減，保證了系統(tǒng)能高效運(yùn)行。

在μC/OS-II操作系統(tǒng)下編寫(xiě)應(yīng)用程序就相對(duì)變的簡(jiǎn)單，應(yīng)用程序主要包含通信程序、控制程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、顯示報(bào)警程序四個(gè)部分。這里主要對(duì)通信程序和數(shù)據(jù)采集處理程序簡(jiǎn)單介紹。

通信程序采用中斷方式，數(shù)據(jù)采集處理程序采用定時(shí)方式，程序流程見(jiàn)圖4。

圖4 程序流程圖

通信程序：中斷后，接受總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)，通過(guò)判斷接受到的數(shù)據(jù)確定是控制命令還是數(shù)據(jù)讀取命令，若是控制命令，分析控制命令的類(lèi)型后發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)量激活控制程序；若是數(shù)據(jù)讀取命令，讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)后編譯成相應(yīng)報(bào)文發(fā)送總線(xiàn)。

數(shù)據(jù)采集處理程序：定時(shí)中斷后，執(zhí)行循環(huán)采集相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)，然后分析處理后，如果出現(xiàn)故障后，首先判斷是否為停機(jī)程序，如果為停機(jī)程序，發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)量激活通信程序，并停機(jī)閉鎖顯示故障信息；若不是停機(jī)程序，顯示故障提示檢查。如果沒(méi)有出現(xiàn)故障，把采集的數(shù)據(jù)信息存入相應(yīng)寄存器以備通信程序讀取。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的基于CAN總線(xiàn)遠(yuǎn)程控制器不僅可以滿(mǎn)足本煤礦井下皮帶機(jī)控制系統(tǒng)，而且適合于任何CAN總線(xiàn)的系統(tǒng)，為CAN總線(xiàn)控制系統(tǒng)提供了很好的組建平臺(tái)。該控制器已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，并到現(xiàn)場(chǎng)投入運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)正在取得防爆合格證和煤礦安全許可證，取得證書(shū)后就可推廣應(yīng)用。

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Research on remote controller of belt conveyor control system based on CAN bus

The relative characteristics of CAN bus technology and underground belt conveyor in coal mine were analyzed.In view of the demand of belt conveyor system,the remote controller based on CAN bus technology was designed and applied to provide convenience for belt conveyor control system establishment in underground or anywhere.Meanwhile,it also appliedμC/OS-II insert operating system to improve the reliability of belt conveyor control system,which provided the theoretical basis for belt conveyor control system based on CAN bus.

CAN bus technology;belt conveyor control;remote controller

1672-609X（2010）06-0034-04

TD528＋.1

B

2010-05-26

王德勝（1982-），男，山東濰坊人，碩士，工程師，從事煤礦機(jī)電管理與機(jī)電安裝管理工作。