林 飛

（潞安化工集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046100）

引言

近年來(lái)，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)興起，在煤礦綜采作業(yè)面得到了較為廣泛的應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果，大大提高了作業(yè)人員安全和生產(chǎn)作業(yè)效率[1-2]。因此借鑒已有的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合煤礦井下采掘作業(yè)環(huán)境，以某型號(hào)采煤機(jī)為研究對(duì)象，開(kāi)展采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究工作，對(duì)于推動(dòng)整個(gè)綜采工作面無(wú)人化工作具有重要的意義[3-4]。

1 LIN 總線技術(shù)特性

LIN 總線使用SCI/UART 協(xié)議，能夠配合大多數(shù)微控制器使用，具有很好的通用性。單線連接時(shí)的LIN 總線的物力結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，傳輸距離較遠(yuǎn)，可達(dá)40 m 左右。在單主控制器配合多從機(jī)組結(jié)構(gòu)中不需額外配置仲裁機(jī)制，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，主節(jié)點(diǎn)控制訪問(wèn)物理線路，全部從節(jié)點(diǎn)均可接收命令并僅有一個(gè)做出響應(yīng)。LIN 總線的編碼方式為NRZ，同時(shí)具有I2C 和RS232的性能，數(shù)據(jù)傳輸速率為20 kbit/s。應(yīng)用時(shí)可以選擇奇偶校驗(yàn)和求和校驗(yàn)相結(jié)合的雙重校驗(yàn)機(jī)制，具備自動(dòng)檢測(cè)故障節(jié)點(diǎn)的功能。為了適應(yīng)不同場(chǎng)合通信任務(wù)的要求，具有應(yīng)答幀報(bào)文的數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度可設(shè)置功能。LIN 總線通信從節(jié)點(diǎn)的自我同步機(jī)制無(wú)需另外增設(shè)晶振器件，結(jié)構(gòu)調(diào)整靈活簡(jiǎn)便，添加或者刪除從節(jié)點(diǎn)時(shí)，不需要改變從節(jié)點(diǎn)的軟件配置和硬件結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于LIN 總線通信技術(shù)完成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括基于LIN 總線的采煤機(jī)控制鍵盤、遠(yuǎn)程通訊設(shè)備和人機(jī)交互界面等部分。采煤機(jī)控制鍵盤主要完成采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的采集工作，之后將采集得到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)LIN 總線傳輸至PLC 主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。遠(yuǎn)程通訊模塊（A/B型）協(xié)同配合應(yīng)用，確保煤炭巷道順槽控制中心和綜采工作面之間的雙向通訊與數(shù)據(jù)共享。人機(jī)交互界面用于顯示由綜采工作面采集得到的采煤機(jī)工況信息，并實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)或者視頻圖像[5-6]。

圖1 采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 采煤機(jī)控制鍵盤

采煤機(jī)控制鍵盤的設(shè)計(jì)基于LIN 總線展開(kāi)，控制信息的采集和傳輸由LIN 總線完成，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換模塊將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為DP 總線信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)與PLC的數(shù)據(jù)通訊?？刂奇I盤總共設(shè)置28 個(gè)按鍵，還有一個(gè)三位的數(shù)碼管顯示窗口。配套采煤機(jī)控制鍵盤設(shè)計(jì)了基于LIN 總線技術(shù)的8 位數(shù)字量采集模塊DI和數(shù)字量輸出模塊DO。鍵盤內(nèi)部的組成包括4 個(gè)DI 模塊、1 個(gè)DO 模塊、1 個(gè)三位可編程數(shù)碼管顯示模塊、1 個(gè)DP-LIN 轉(zhuǎn)換模塊?？刂菩畔⒂蒁I 模塊采集之后經(jīng)LIN 總線傳輸至DP-LIN 模塊完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換，得到DP 總線信號(hào)，與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。相反，PLC 將采煤機(jī)實(shí)施工藝參數(shù)信息傳輸至DP-LIN模塊完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換，得到LIN 總線信號(hào)，經(jīng)DO 模塊輸出到數(shù)碼管顯示。

3.1.2 數(shù)字量采集模塊DI

數(shù)字量采集模塊DI 采用微控制器和LIN 總線接口芯片相結(jié)合的形式，微控制器選用了飛思卡爾MC9S08EL32型8 位低成本高性能微處理器，其作用是控制LIN 總線通信和采煤機(jī)各電機(jī)的動(dòng)作，內(nèi)核型號(hào)為HCS08，支持多種操作模式，包括正常運(yùn)行、主動(dòng)后臺(tái)、等待、停止等模式。LIN 總線接口芯片采用的是LIN 總線協(xié)議，具有很好的匹配性，依據(jù)LIN2.1/SAEJ2602 規(guī)范能夠可靠地將控制器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)IN 總線信號(hào)。數(shù)字量采集模塊單獨(dú)設(shè)置1 個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)，用于改變模塊地址信息，以便提高系統(tǒng)模塊的可操作性。

3.1.3 數(shù)字量輸出模塊DO

數(shù)字量輸出模塊DO 設(shè)計(jì)采用微控制器與LIN總線接口芯片相結(jié)合的形式，選擇型號(hào)為MC9SO8EL32的微處理器，配置和功能與數(shù)字量采集模塊DI 相同，選擇型號(hào)為TJA1021TLIN 總線接口芯片。數(shù)字量輸出模塊DO 設(shè)計(jì)過(guò)程與原理與數(shù)字量采集模塊DI 基本一致，僅在數(shù)字量輸出接口配置中存在一定差異，此處不再贅述。

3.1.4 三位可編碼數(shù)碼管

三位可編程數(shù)碼管工作時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示采煤機(jī)工藝參數(shù)，驅(qū)動(dòng)使用數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制芯片驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的形式，接收來(lái)自單片機(jī)的串行輸出、時(shí)鐘、加載信號(hào)，大大降低了單片機(jī)的輸出引腳的配置工作量。選擇型號(hào)為CH451的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制芯片，具有對(duì)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)功能，同時(shí)，支持動(dòng)態(tài)掃描極限范圍的設(shè)置，具備高速四線串行口，譯碼模式有不譯碼方式或BCD 譯碼兩種模式，可以提供up 監(jiān)控功能，如上電復(fù)位和看門狗等。

3.1.5 遠(yuǎn)程通訊模塊

采煤機(jī)遠(yuǎn)程通訊模塊使用礦用隔爆兼本安型VDSL2 通訊模塊，配置DSP 雙核處理器，運(yùn)行主頻為400 MHz，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通訊要求。工作過(guò)程中的電壓為12 V，工作電流不超過(guò)500 mA，具有IP54 防護(hù)等級(jí)，傳輸距離高達(dá)500 m 以上，足以滿足煤礦井上井下遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)信息的傳送。同時(shí)VDSL2 通訊模塊自帶以太網(wǎng)通訊接口，具有很好的可擴(kuò)展性，體積小、可靠性高，在煤礦通信設(shè)備中應(yīng)用理想。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)字量采集模塊DI

數(shù)字量采集模塊DI 主程序的工作流程如圖2所示，開(kāi)始運(yùn)行即進(jìn)入微控制器初始化處理，涉及時(shí)鐘、輸入/輸出接口、中斷等，之后設(shè)置一定的延時(shí)，開(kāi)始數(shù)據(jù)無(wú)限循環(huán)采集過(guò)程。參考外部時(shí)鐘和總線分頻倍數(shù)，在外部振蕩器的高頻范圍內(nèi)完成時(shí)鐘初始化；輸入/輸出接口初始化過(guò)程完成設(shè)備地址輸入口、8 路數(shù)字量輸入端口和輸出口的定義，分別對(duì)應(yīng)A 端口、C 端口和B 端口第五位；將復(fù)位接口配置成時(shí)鐘等待模式，啟用SLIC 模式并啟用SLIC 中斷標(biāo)識(shí)，完成開(kāi)中斷功能。

圖2 DI 主程序工作流程

3.2.2 數(shù)字量輸出模塊DO

數(shù)字量輸出模塊DO 主程序工作流程如圖3 所示，運(yùn)行程序開(kāi)始即進(jìn)入初始化程序，涉及時(shí)鐘、輸入/輸出接口、LIN 接口控制器和中斷等。初始化之后進(jìn)行數(shù)碼管功能的配置，如BCD 譯碼方式、關(guān)鍵盤開(kāi)顯示等。通過(guò)一定時(shí)間的延時(shí)即進(jìn)入數(shù)字量輸出無(wú)限循環(huán)程序。具體的初始化過(guò)程與數(shù)字量采集模塊DI 基本一致，此處不再贅述。

圖3 DO 主程序工作流程

4 采煤機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面主要接收采煤機(jī)工藝參數(shù)并實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示器中供監(jiān)控人員觀察，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，同時(shí)，監(jiān)控人員也可以通過(guò)人機(jī)交互界面對(duì)井下采煤機(jī)發(fā)號(hào)施令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。如下頁(yè)圖4、圖5 所示，給出了采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的登錄界面和主控界面。監(jiān)控人員需要輸入自己的賬號(hào)和密碼，顯示登錄成功之后進(jìn)入遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。打開(kāi)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主控界面，即可實(shí)時(shí)觀察井下采煤機(jī)的工藝參數(shù)、工作電壓、采煤機(jī)位置、行走方向等，供監(jiān)控人員監(jiān)視控制采煤機(jī)工作。

圖4 系統(tǒng)登錄界面

圖5 系統(tǒng)主監(jiān)控界面

5 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)服役中的采煤機(jī)中進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄系統(tǒng)運(yùn)行情況。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)作業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，提高了煤炭采掘工作的安全性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，相較于傳統(tǒng)采煤機(jī)操控模式，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)用后，采煤機(jī)操作維護(hù)人員減少3～4 人，降低了近15%的運(yùn)行維護(hù)成本，提高了近10%的采煤機(jī)利用率，預(yù)計(jì)為企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近200 萬(wàn)元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。