李文華,許春雨,宋建成 ,田慕琴

(太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院,山西 太原 030024)

煤礦綜采工作面環(huán)境惡劣,液壓支架數(shù)量多且控制復(fù)雜,目前普遍采用的綜合機(jī)械化采煤工作面與無人值守采煤工作面相比,其存在自動化程度較低,工作強(qiáng)度大,安全性差等問題。在綜合機(jī)械化自動采煤工作面內(nèi)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及液壓支架的降柱、移架、升柱支護(hù)頂板、推移輸送機(jī)等工序均需要人工干預(yù),而無人值守采煤工作面上述操作將全部由端頭控制器集中控制自動完成。無人值守采煤工作面開采技術(shù)必須以強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸通道為依托,完成間架控制器與端頭控制器之間大量狀態(tài)參數(shù)和命令信息傳遞,并保證端頭控制器可以實時地把這些數(shù)據(jù)上傳到位于順槽中控室的工業(yè)控制計算機(jī)后由工控計算機(jī)統(tǒng)一指揮工作。針對無人值守采煤工作面液壓支架控制要求,本文提出一種基于RS-485總線的綜采工作面液壓支架端頭控制器通訊系統(tǒng)的設(shè)計方案,并進(jìn)行了實驗,效果良好。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

液壓支架端頭控制器通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。端頭控制器集中控制所有的間架控制器,通信方式采用主從方式,樹枝狀結(jié)構(gòu),所有的間架控制器都掛在端頭控制器的通訊總線上,端頭控制器的通信方式默認(rèn)為發(fā)送狀態(tài),所有間架控制器通信方式默認(rèn)為接收狀態(tài)。間架控制器在收到端頭控制器發(fā)送的控制信號后,才能執(zhí)行具體動作。端頭控制器與防爆工控計算機(jī)通訊采用主從方式,端頭控制器通信方式默認(rèn)為接收狀態(tài),防爆工控計算機(jī)通信方式默認(rèn)為發(fā)送狀態(tài)。端頭控制器接收到防爆工控計算機(jī)發(fā)送的控制信號后,執(zhí)行防爆工控計算機(jī)發(fā)送的動作命令。建立一套可實現(xiàn)液壓支架端頭控制器與上位防爆工控計算機(jī)及多臺下位間架控制器之間的網(wǎng)絡(luò)通訊。系統(tǒng)基于 RS-485通信協(xié)議,通過端頭控制器集中控制液壓支架,同時端頭控制器還具備與上位防爆工控計算機(jī)通訊功能,支持防爆工控計算機(jī)對液壓支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖1 液壓支架端頭控制器通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structural drawing of the communication system for the electro-hydraulic terminal controller

2 通訊系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)工作中,液壓支架端頭控制器要通過間架控制器對液壓支架的狀態(tài)和動作,進(jìn)行全面監(jiān)測監(jiān)控。為了提高數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸速度,本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F001作為CPU。單片機(jī)C8051F001的時鐘頻率可達(dá)25 MHz,采用流水線指令結(jié)構(gòu),70%指令的執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期,可以滿足系統(tǒng)實時性要求。

RS-232通訊協(xié)議支持的通信方式信號傳輸距離較近,一般不超過50 m,并且抗干擾能力差。與RS-232通信協(xié)議相比,RS-485通信協(xié)議支持的通訊方式,信號傳輸距離能夠達(dá)到1 200 m,傳輸距離遠(yuǎn),而且抗干擾能力強(qiáng)。

端頭控制器通訊系統(tǒng)采用MAXIM公司的MAX485芯片作為 RS-485通信協(xié)議的收發(fā)器。MAX485是芯片具有強(qiáng)抗干擾能力的低功耗收發(fā)器,支持RS-485通信協(xié)議,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2.5 Mb/s。MAX485芯片內(nèi)部設(shè)有輸入接收器和輸出驅(qū)動器,控制輸入接收器和輸出驅(qū)動器的使能管腳是DE和在使能信號為禁止?fàn)顟B(tài)情況下,輸入接收器和輸出驅(qū)動器處于高阻態(tài),MAX485芯片的輸入接收器和輸出驅(qū)動器可抗±15 kV的靜電沖擊。

CPU引腳為TTL電平,擴(kuò)展一片MAX485芯片作為RS-485通信協(xié)議的電平轉(zhuǎn)換單元;防爆工控計算機(jī)的串行異步通信基于RS-232標(biāo)準(zhǔn)。兩者通信協(xié)議的邏輯電平不一致,必須進(jìn)行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。端頭控制器與防爆工控計算機(jī)的通信采用RS-485通信協(xié)議,HXSP-2108B轉(zhuǎn)換器作為RS-485和RS-232的協(xié)議轉(zhuǎn)換器,從而實現(xiàn)端頭控制器和防爆工控計算機(jī)之間的遠(yuǎn)距離傳輸。

2.1 RS-485通訊通道設(shè)計

液壓支架端頭控制器通信原理框圖如圖2所示。由于CPU芯片單一的串行通信接口不能滿足上述通訊系統(tǒng)要求,必須通過VK3212芯片擴(kuò)展成兩個通訊接口,分別與間架控制器和防爆工控計算機(jī)通信。CPU的通訊信號通過VK3212芯片連接光電耦合模塊和MAX485轉(zhuǎn)換模塊,轉(zhuǎn)換變成RS-485通信協(xié)議信號,經(jīng)過防高壓保護(hù)電路后與對應(yīng)的接口連接。與間架控制器連接的通訊通道用于端頭控制器向間架控制器發(fā)送命令,修改其控制參數(shù),并實現(xiàn)液壓支架動作控制及接收間架控制器采集的液壓支架狀態(tài)信息;與防爆工控計算機(jī)連接的通訊通道,用于端頭控制器向防爆工控計算機(jī)返回液壓支架的狀態(tài)參數(shù),這些參數(shù)將由防爆工控計算機(jī)傳遞到地面監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一處理。無人值守采煤工作面開采過程中,端頭控制器實時向間架控制器發(fā)送控制指令,并根據(jù)間架控制器返回的狀態(tài),下達(dá)后續(xù)動作指令,實現(xiàn)端頭控制器對液壓支架的集中控制;另一方面端頭控制器作為防爆工控計算機(jī)與間架控制器之間的通訊中轉(zhuǎn)站,支持防爆工控計算機(jī)對液壓支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖2 液壓支架端頭控制器通信系統(tǒng)原理框圖Fig.2 The functional block diagram of the communication sy stem of the electro-hydraulic terminal controller

2.2 抗干擾電路設(shè)計

針對RS-485串行通信過程中共模干擾和總線阻抗匹配所引起的信號干擾問題,系統(tǒng)制定了如下措施。

2.2.1 共模干擾

RS-485通訊協(xié)議采用差分方式傳輸信號,不需要相對于參照點來檢測信號,接收器只需檢測兩線之間的電位差。RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定傳輸信號共模電壓應(yīng)小于3 V,當(dāng)系統(tǒng)A向系統(tǒng)B發(fā)送數(shù)據(jù)時,系統(tǒng)A的輸出存在共模電壓,當(dāng)兩個系統(tǒng)具有各自獨立的接地系統(tǒng)時,兩系統(tǒng)的地之間可能存在十幾伏甚至數(shù)十伏電位差。此時系統(tǒng)B的接收器輸入端共模電壓將會是兩者之和,并可能伴有強(qiáng)干擾信號,導(dǎo)致系統(tǒng)B共模輸入超出正常工作范圍,并在信號線上產(chǎn)生干擾電流。但收發(fā)器只能在共模電壓不超出一定范圍(-7～12 V)的條件下才能正常工作,否則就會影響通信的可靠性,甚至損壞接口。

針對這一問題,本系統(tǒng)作如圖3處理,將系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的信號地連接,以消除高阻型共模干擾;為了消除低阻型共模干擾,采用浮地技術(shù),隔斷接地環(huán)路,將干擾源浮置起來,即將系統(tǒng)的信號地與大地隔離,隔斷了接地環(huán)路,避免形成很大的環(huán)路電流。

圖3 RS-485通信電路框圖Fig.3 The communication circuit diagram of RS-485

2.2.2 總線阻抗匹配

RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收器的門限為±200 mV,具有良好的噪聲抑制能力。但當(dāng)接收器接收到的總線電壓信號在±200 mV中間時,接收器會導(dǎo)致不確定的輸出狀態(tài),而UART串行通訊時序以一個前導(dǎo)“0”觸發(fā)接收動作,所以接收器的不定態(tài)可能會使UART串行通訊錯誤地接收一些數(shù)據(jù),導(dǎo)致誤操作。系統(tǒng)器件連接方式如圖3所示,在引腳A上接上拉電阻R1(典型值20 kΩ),在引腳B上接下拉電阻R3(典型值20 kΩ),在引腳A和引腳B之間接匹配電阻R2(典型值120 Ω)。吸收總線上的反射信號,消除毛刺信號,保證信號正常傳輸,沒有信號傳輸時增大引腳A和引腳B之間的壓差,使干擾信號很難產(chǎn)生串行通信的起始信號“0”,增加了總線抗干擾能力。

2.3 接口擴(kuò)展設(shè)計

為滿足系統(tǒng)串口擴(kuò)展和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求,系統(tǒng)采用VK3212芯片作為擴(kuò)展芯片,其主接口為標(biāo)準(zhǔn)的三線UART接口(RX,TX,GND),無需其它地址和控制信號線。具有可編程波特率設(shè)置功能,最高數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá) 1 Mbit/s。VK3212芯片母串口和子串口的工作波特率可以由軟件調(diào)節(jié),不需要修改外部電路和晶振頻率。通過芯片內(nèi)置的協(xié)議處理器實現(xiàn)多串口擴(kuò)展,不需地址線控制。兩個子串口均為全雙工,每個子串口可以通過軟件開啟和關(guān)閉,波特率可以獨立設(shè)置,子串口最高可達(dá)920 kb/s。

VK3212芯片內(nèi)部設(shè)有兩級中斷:子串口中斷和全局中斷。當(dāng)IRQ引腳指示有中斷時,通過讀取全局中斷寄存器GIR以判斷當(dāng)前中斷類型,去讀取相應(yīng)的中斷狀態(tài)寄存器,以確定當(dāng)前中斷源。VK3212芯片的每個子串口都有獨立的中斷系統(tǒng),當(dāng)任意一個中斷使能后,滿足中斷條件就會產(chǎn)生相應(yīng)的中斷,執(zhí)行讀/寫操作,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

通訊接口擴(kuò)展具體連接方式如圖4所示。將引腳IR設(shè)為低電平選擇普通UART通訊模式;中斷指示引腳IRQ與CPU的INT1引腳連接,用于傳遞中斷信號,增強(qiáng)系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)傳輸能力;VK3212芯片與CPU之間做共地處理。寫操作時,先向VK3212的RX寫入一個命令字節(jié),隨后寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié);讀操作時,先向VK3212的RX寫入命令字節(jié),相應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié)從 TX讀取?？筛鶕?jù)寫入命令字選擇不同的子串口通道號、子串口寄存器地址、寫入/讀取FIFO的數(shù)據(jù)字節(jié)個數(shù)。

圖4 通訊接口擴(kuò)展示意圖Fig.4 The expansion diagram of communication interface

3 通訊軟件設(shè)計

為驗證系統(tǒng)通訊電路設(shè)計的可靠性,編寫系統(tǒng)調(diào)試通信軟件。通訊過程以本系統(tǒng)為主通訊裝置向下位機(jī)間架控制器發(fā)送16個數(shù)據(jù),并由間架控制器將所接收數(shù)據(jù)依據(jù)接收順序返回,主通訊裝置所發(fā)送數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器的0X20-0X2F單元,接收數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器的0X30-0X3F單元。端頭控制器與間架控制器通信采用主從方式,端頭控制器的通信方式默認(rèn)為發(fā)送狀態(tài),所有間架控制器通信方式默認(rèn)為接收狀態(tài),間架控制器接收到端頭控制器發(fā)送的控制信號后,執(zhí)行發(fā)送動作。軟件共包括4部分:主程序,中斷處理程序,數(shù)據(jù)發(fā)送程序,數(shù)據(jù)接收程序。軟件主程序流程圖如圖5a所示。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化設(shè)置和系統(tǒng)資源的分配,隨后向間架控制器發(fā)送一個數(shù)據(jù),同時,傳送數(shù)據(jù)計數(shù)器減1,判斷此時數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢。如果沒有發(fā)送完畢再次向間架控制器發(fā)送數(shù)據(jù),如果發(fā)送完畢則向間架控制器發(fā)送返回數(shù)據(jù)命令,判斷此時數(shù)據(jù)是否接收完畢。如果沒有接收完畢則返回上一級再次判斷數(shù)據(jù)是否接收完畢,如果此時數(shù)據(jù)接收完畢則結(jié)束。

系統(tǒng)中斷處理程序流程圖如圖5b所示。系統(tǒng)在接收到中斷信號后,關(guān)閉所有中斷并保護(hù)現(xiàn)場,讀取中斷標(biāo)志寄存器,判斷中斷是否為數(shù)據(jù)接收中斷,如果中斷為數(shù)據(jù)接收中斷,接收數(shù)據(jù),恢復(fù)現(xiàn)場,開所有中斷,最后跳出中斷;如果中斷不是數(shù)據(jù)接收中斷,恢復(fù)現(xiàn)場,開所有中斷,最后跳出中斷。

圖5 主程序和中斷處理程序流程圖Fig.5 T he flow diagram of main program and interrupt process program

數(shù)據(jù)接收程序流程圖如圖6a所示。數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖6b所示。

圖6 數(shù)據(jù)接收與發(fā)送程序流程圖Fig.6 T he program flow diagram of data reception and transmission process

4 實驗結(jié)果

為檢測本設(shè)計的合理性,依據(jù)第4節(jié)所設(shè)計軟件進(jìn)行如下實驗:由本系統(tǒng)為主通訊方式向下位機(jī)間架控制器發(fā)送16位數(shù)據(jù),并由間架控制器將數(shù)據(jù)依據(jù)接受順序返回,存儲到數(shù)據(jù)存儲器的0X30-0X3F中,所發(fā)送數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器的0X20-0X2F中。實驗得到的傳輸與返回數(shù)據(jù)截圖如圖7所示。左側(cè)為地址編碼,右側(cè)為通訊過程中所存儲的數(shù)據(jù)。

圖7 傳輸與返回數(shù)據(jù)截圖Fig.7 The screenshot of transmission and return data

實驗結(jié)果表明,數(shù)據(jù)傳遞準(zhǔn)確、實時性強(qiáng),不僅可以實現(xiàn)各個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸,而且還能通過主干網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。滿足端頭控制器對液壓支架集中控制的通訊要求。

5 結(jié)論

在煤礦井下現(xiàn)有液壓支架通訊設(shè)備的基礎(chǔ)上,根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的要求,設(shè)計了一種基于RS-485總線的煤礦端頭控制器通訊方案,搭建了系統(tǒng)硬件電路。實驗運行結(jié)果表明,其硬件可靠性高,抗干擾能力強(qiáng),能實時、準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,達(dá)到了對間架控制器遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控和防爆工控計算機(jī)之間數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、實時傳輸?shù)哪康?滿足液壓支架端頭控制器集中控制的通訊要求。

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