劉勇利

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)忻州窯礦皮帶隊， 山西 大同 037021）

1 立項背景

帶式輸送機(jī)作為煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，其在煤礦的日常生產(chǎn)中擔(dān)負(fù)著舉足輕重的作用。但由于井下老式噴霧灑水不能實現(xiàn)遠(yuǎn)控，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)沿線噴霧灑水不能伴隨輸送機(jī)的起停以及煤量的多少達(dá)到動態(tài)開關(guān)，從而造成皮帶積水。當(dāng)煤流運行到巷道傾角較大的部位時，在積水和下滑力的作用下，煤炭不能被帶式輸送機(jī)運走，導(dǎo)致輸送機(jī)機(jī)尾堵塞，造成輸送機(jī)停機(jī)，影響生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。與此同時皮帶巷一般又承擔(dān)著人行通道的作用，是煤礦井下工作人員的生命通道。帶式輸送機(jī)沿線噴霧灑水不能隨輸送機(jī)的起停以及煤量的多少動態(tài)開關(guān)，會導(dǎo)致皮帶巷粉塵超標(biāo)，影響煤礦井下工作人員的身體健康。所以帶式輸送機(jī)的沿線噴霧灑水系統(tǒng)隨輸送機(jī)的起停以及煤量的多少達(dá)到動態(tài)開關(guān)至關(guān)重要，基于此，對帶式輸送機(jī)沿線噴霧灑水系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2 項目實施改造過程

2.1 現(xiàn)場總線的選擇

現(xiàn)場總線的產(chǎn)生對工業(yè)的發(fā)展起著非常重要的作用，隨著工業(yè)自動化的推進(jìn)，各種現(xiàn)場總線技術(shù)得到了充分的發(fā)展，現(xiàn)階段在煤礦電氣控制系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)場總線是為了處理工業(yè)現(xiàn)場的儀器儀表、邏輯控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及原件等工業(yè)設(shè)備間的通信、控制、信息傳遞問題而設(shè)計的，CAN 控制器根據(jù)兩線上的電位差來判斷總平。分為顯性和隱性，二者必居其一。發(fā)送方通過使總線電平生變化，將消息傳給接收。CAN 是連接現(xiàn)場設(shè)備和總線控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng)。由于各個廠商都在發(fā)展自己的現(xiàn)場總線技術(shù)，導(dǎo)致現(xiàn)在有40 余種現(xiàn)場總線，而常用的現(xiàn)場總線 有 13 種 ， 分 別 是 RS422、CAN、Ethernet/IP、ControlNet、LonWorks、EIB、Interbus、Profibus、Profinet、FFHSE、P-net、CC-Link、DeviceNet。

CAN 是ControllerAreaNetwork（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）的縮寫，由德國BOSCH 公司開發(fā)，并最終制定為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），是目前應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在全球，CAN 總線現(xiàn)已成為汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式通信領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議總線。CAN 總線最大支持的傳輸速率為1 Mbps，對應(yīng)傳輸距離40 m，最大傳輸距離10 000 m，對應(yīng)傳輸速率5 kbps，且CAN 總線具有傳輸距離遠(yuǎn)、實時性高、抗干擾能力強、成本低等優(yōu)點。由以上特點即可以看出，CAN 總線非常適用于在煤礦井下復(fù)雜的地質(zhì)及磁場環(huán)境中穩(wěn)定通信，所以此次項目選擇CAN 總線技術(shù)作為集控系統(tǒng)的通信手段，項目最終呈現(xiàn)穩(wěn)定的運行結(jié)果，表明CAN 總線技術(shù)完全勝任此次項目的通信需求。

2.2 CAN 集中控制系統(tǒng)的設(shè)計

帶式運輸機(jī)噴霧灑水集中控制系統(tǒng)就是在強力膠帶機(jī)沿線每隔100 m 的位置安裝一套噴霧灑水裝置，對每套噴霧灑水裝置的開關(guān)采用電磁閥控制，且每個電磁閥配套一塊帶有CAN 總線協(xié)議外設(shè)的STM32 綜合嵌入式控制板作為分站節(jié)點，最后利用CAN 現(xiàn)場總線將所有的分站節(jié)點連接，送入集控室CAN 總線主站節(jié)點。這套集控裝置最終由膠帶機(jī)頭人員對所有的噴霧灑水裝置分別做對應(yīng)的啟?？刂?，大大地提高了項目實施前，噴霧灑水就地控制的自動化程度。整體系統(tǒng)框圖如下頁圖1 所示。

2.3 CAN 分站節(jié)點硬件設(shè)計

CAN 分站節(jié)點利用STM32 嵌入式平臺搭建，硬件部分包括由CAN 通信模塊、聲光報警電路、電源電路、調(diào)試電路以及OLED 顯示線路組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示，電路原理見下頁圖3。

圖1 噴霧灑水CAN 總線集中控制系統(tǒng)框圖

圖2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

帶式輸送機(jī)集成噴霧灑水系統(tǒng)分為CAN 從站和主站兩個單元，為縮短硬件整體的開發(fā)周期，兩個單元的設(shè)計用相同的設(shè)計來完成。所以，該套系統(tǒng)在硬件上是統(tǒng)一的，通過為主STM32 處理單元輸入不同的程序，可實現(xiàn)相同硬件的主、從站不同應(yīng)用，很大程度上提高了這套主、從系統(tǒng)的適用性及兼容性。本次嵌入式開發(fā)充分利用STM32 低功耗優(yōu)勢作為這次項目的低功耗設(shè)計方案，為這套適用于井下特殊環(huán)境的礦用設(shè)備提供了非常優(yōu)秀的功耗設(shè)計方案。兩套系統(tǒng)唯一的不同就是在主站部分沒有噴霧灑水設(shè)備，取而代之的是一塊顯示用的監(jiān)控顯示器，用于顯示所有節(jié)點的狀態(tài)。

2.4 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

在此次的軟件設(shè)計中還充分利用STM32 固件標(biāo)準(zhǔn)庫，并且在C 語言程序設(shè)計環(huán)節(jié)直接利用標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)對主控制器的硬件進(jìn)行操作，節(jié)約了系統(tǒng)整體的開發(fā)時間，提高了系統(tǒng)軟件部分的運行效率。

2.4.1 沿線噴霧灑水模塊地址編碼單元

首先利用矩陣鍵盤輸入需要寫入礦用跑偏傳感器主、從機(jī)的地址編號，然后通過CAN 總線協(xié)議識別分配的地址單元是否合法，最后將檢測結(jié)果送顯到下位機(jī)LCD 調(diào)試界面。

2.4.2 下位機(jī)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)接收單元通過CAN 總線協(xié)議接收并檢測CAN 總線上的數(shù)據(jù)包，再通過相應(yīng)算法處理數(shù)據(jù)包內(nèi)容，最后將接受到的數(shù)據(jù)顯示到LCD 點陣液晶屏上，由接收系統(tǒng)決定聲光報警指令是否發(fā)送。

2.4.3 CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送單元

CAN 總線數(shù)據(jù)發(fā)送單元就是利用STM32F103主控芯片內(nèi)部集成了雙路bxCAN 收、發(fā)控制器來實現(xiàn)的。STM32F103 主控芯片發(fā)送報文的流程為：在庫函數(shù)中，CAN_FilterInit()用來初始化CAN 的濾波器相關(guān)參數(shù)，在CAN_Init()函數(shù)體中，在初始化之前會設(shè)置CAN_FMR 寄存器的INRQ 為INIT 讓其進(jìn)入初始化模式，然后初始化CAN 濾波器相關(guān)的寄存之后，會設(shè)置CAN_FMR CAN_F 寄存器的FINIT 為0讓其退出初應(yīng)用程序。隨后利用FIFO 郵箱與主站接收單元進(jìn)行通信，利用主站接收單元的返回信號來表明一次成功發(fā)送數(shù)據(jù)包。

圖3 電路原理圖

2.4.4 CAN 數(shù)據(jù)接收單元

CAN 報文的接收采用中斷處理的方式。STM32主控制器處于通信監(jiān)控的狀態(tài)，當(dāng)成功接收到數(shù)據(jù)包時，立即進(jìn)入接收主機(jī)的中斷函數(shù)，在中斷函數(shù)中，通過算法，識別從機(jī)數(shù)據(jù)的正確性，如果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，那么立即送顯從機(jī)的數(shù)據(jù)，并且在中斷函數(shù)中調(diào)用CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，發(fā)送給對應(yīng)從機(jī)返回值，最后釋放發(fā)送及接收郵箱。數(shù)據(jù)接收模塊流程如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)接收流程

整套系統(tǒng)在軟件上采用C、匯編語言混合編程。軟件程序設(shè)計人員利用模塊化編程的思想，將各硬件模塊的功能在軟件程序編寫中編寫為各種函數(shù)接口，通過在主函數(shù)中調(diào)用各種功能的模塊函數(shù)，來節(jié)約實現(xiàn)軟件調(diào)試時間的目的。

3 項目創(chuàng)新點

1）極大地減少了控制線束的數(shù)量，利用2 芯屏蔽的CAN 總線完成了所有噴霧灑水的開關(guān)量控制，極大地減少了系統(tǒng)的維護(hù)工作量。

2）充分利用CAN 總線穩(wěn)定性，適用于井下惡劣的環(huán)境，使得整體控制動作靈敏，反應(yīng)迅速，完全滿足井下的控制要求。

3）極大地提高了整個皮帶噴霧灑水系統(tǒng)的自動化程度，很大程度上減少了就地運行工人的工作量，提高了噴霧灑水系統(tǒng)的相應(yīng)速度。

4 項目經(jīng)濟(jì)效益

對帶式輸送機(jī)沿線噴霧灑水集控系統(tǒng)改造后，保障了膠帶機(jī)的正常運轉(zhuǎn)，減少了因漏煤眼內(nèi)含水量大而導(dǎo)致漏煤眼非正常卸煤皮帶機(jī)被迫停機(jī)所浪費的時間，進(jìn)而增加綜采工作面的班開機(jī)率，提高礦日產(chǎn)量，日創(chuàng)效益約30 萬元。計算方法如下：

以某皮帶隊為例，從膠帶斜井輸送機(jī)到綜采工作面所有設(shè)備開啟所需要的最低時間為40 min；綜放工作面1 h 的產(chǎn)量為1 000 t；噸煤平均價格為450元。則日產(chǎn)生效益為萬元。

5 結(jié)語

該改造項目的成功實施，解決了因漏煤眼內(nèi)水含量較大導(dǎo)致漏煤眼非正常卸煤時皮帶停運的次數(shù)和由此所浪費的時間，為各礦提供了參考，從而可以提高煤炭產(chǎn)量，具有很好的推廣價值。