張彥輝

(山西煤炭進出口集團 洪洞陸成煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041600)

在井下開采運輸中，帶式輸送機起著至關(guān)重要的作用，解決了很多開采中的難題，相比一般的運輸機，帶式輸送機的運輸能力更大、運輸距離更長、使用壽命更長[1-3]。 但是由于長時間工作，加上設(shè)備老化，帶式輸送機頻繁出現(xiàn)各類故障，如打滑、跑偏、撕裂及斷帶等，給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失。目前陸成煤業(yè)10103工作面上帶式輸送機中的主控制器主要采用PLC控制系統(tǒng)，搭配外圍的驅(qū)動電路，加上不同廠家的PLC硬件不兼容，從而造成控制系統(tǒng)體積龐大、制造成本高、維修困難[4-5]。因此，設(shè)計了一種ARM嵌入式保護控制系統(tǒng)，采用單片機作為主控制器，搭配各類傳感器和外圍驅(qū)動電路，實現(xiàn)精準控制的效果。

1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及方案

1.1 整體結(jié)構(gòu)

ARM嵌入式保護控制系統(tǒng)通過各類傳感器實時采集帶式輸送機運行時的電氣參數(shù)、電機軸溫度、膠帶跑偏、撕裂等參數(shù)。主控制站主要負責(zé)收集各類傳感器數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)與上位機和其他分站的通信，帶式輸送機控制器與上位機之間通過無線網(wǎng)建立通信，與下位機之間通過CAN網(wǎng)線建立通信[6-7]。保護控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 控制方案

根據(jù)10103工作面的開采要求，保護控制系統(tǒng)的操作模式包括就地、遠程、集控和檢修四種。就地模式是直接在井下控制器上安裝控制膠帶啟停按鈕；遠程模式是通過地面監(jiān)控室對帶式輸送機的啟停進行控制；集控模式是實現(xiàn)帶式輸送機與其他設(shè)備的聯(lián)鎖控制；檢修模式是對設(shè)備檢修時設(shè)置單點啟?？刂?。在每次啟動帶式輸送機時，首先對設(shè)備進行自檢，確定所有設(shè)備都沒有出現(xiàn)故障后，按照設(shè)定流程依次啟動設(shè)備[8]。

圖1 帶式輸送機保護控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

保護控制系統(tǒng)以ARM嵌入式芯片作為主控制器，控制其他模塊，系統(tǒng)的硬件包括CPU、存儲器、擴展芯片、Flash芯片、復(fù)位線路等，控制器的外圍有電源模塊、輸入輸出接口模塊、CAN網(wǎng)線、RS485通訊模塊以及調(diào)試模塊等。

2.1 微處理器

保護控制系統(tǒng)的處理器采用STM32F103芯片，具有32位微控制器，內(nèi)部有256 kB和512 kB高速存儲器[9-10]。在工作時，處理器芯片的主頻為72 MHz，支持多種通信，內(nèi)部集成TFT控制器，帶有多種外接設(shè)備接口，能滿足系統(tǒng)進行A/D轉(zhuǎn)化，減少系統(tǒng)電路中外接電路的配置，同時采用LFBGA100進行封裝，減小主控板的面積，降低成本。

2.2 存儲器

由于控制系統(tǒng)中主芯片的內(nèi)部存儲器容量不足以支持系統(tǒng)所有軟件的存儲，為了滿足存儲要求，在系統(tǒng)內(nèi)增加了Flash芯片。該芯片具有128 M×8 bit容量，每個字節(jié)的讀取周期為25 ns，采用TSOP1進行封裝[11-12]。

2.3 輸入輸出模塊

在保護控制系統(tǒng)中，設(shè)計電平轉(zhuǎn)換模擬量輸入電路，電流信號經(jīng)模擬量輸入電路后，轉(zhuǎn)換成能被單片機識別的電壓信號。采用高線性光電耦合器，內(nèi)置1個發(fā)光二極管和2個光敏電阻，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。模擬量隔離電路如圖2所示。

圖2 模擬量隔離電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在處理器上搭載軟件操作系統(tǒng)，按照功能的優(yōu)先級將系統(tǒng)分成幾個子任務(wù)，每個子任務(wù)都有1個獨立的線程，CPU在各個線程之間來回切換，確保CPU的性能最大化，從而提升控制系統(tǒng)的實時性。

3.1 系統(tǒng)主程序流程

首先對程序進行初始化，調(diào)用初始化函數(shù)OSlnit，創(chuàng)建子程序，包括就地模式、遠程模式、集控模式以及檢修模式，每個子程序通過信號量郵箱與主程序通信，子程序之間相互獨立，在選擇其中一個模式后，其他的模式都被暫停，程序不執(zhí)行?？刂葡到y(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

由于帶式輸送機的啟動和停止程序比較復(fù)雜，在啟動時要遵循自下而上的原則，從下級向上級依次啟動，而在停機時要遵循自上而下的原則，并確保帶式輸送機上不留煤。如果在整個運行過程中，其中1臺設(shè)備出現(xiàn)故障，要先將其上級設(shè)備停機，再進行故障處理。

3.2 中斷子程序設(shè)計

由于10103工作面環(huán)境的特殊性，在帶式輸送機運行過程中，要求各控制器能及時處理故障，以提高程序的實時性。因此，在程序設(shè)計中，中斷子程序處理故障，根據(jù)故障的優(yōu)先級定義中斷子程序的優(yōu)先級，將堆煤、打滑、斷帶、急停等故障設(shè)置為最高優(yōu)先級，在發(fā)生這類故障時，必須立即停機；將跑偏、超溫等故障設(shè)置為次優(yōu)先級，在發(fā)生這類故障時，不需要立即停機，可以手動停車。通過對故障的快速定位，大大提高了維修的效率，確保了礦井的安全生產(chǎn)，中斷子程序流程如圖4所示。

圖4 中斷子程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

在10103工作面上對設(shè)計的ARM嵌入式保護控制系統(tǒng)進行穩(wěn)定性和功能測試，在測試過程中，通過模擬故障產(chǎn)生的條件，觸發(fā)傳感器產(chǎn)生故障信號。通過試驗，結(jié)果表明，控制器能及時準確地處理各類故障信號，且顯示器的顯示界面正常。例如，在測試帶式輸送機是否超溫時，將溫度升到報警值后，溫度傳感器會發(fā)出報警，控制灑水噴頭電磁閥進行灑水動作，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)符合設(shè)計要求。在測試帶式輸送機的無線通訊功能時，在系統(tǒng)旁設(shè)置干擾，通過無線模塊向另一臺控制器發(fā)出信號，測試結(jié)果表明，控制器能準確接收信息，無線通信模塊運行正常。在測試系統(tǒng)的抗干擾能力時，在主控制器旁設(shè)置干擾信號進行觀察，結(jié)果如表1所示，系統(tǒng)各項功能全部正常運行，誤報率為0，系統(tǒng)設(shè)計達到要求。

表1 保護次數(shù)統(tǒng)計

5 結(jié) 語

1) 在10103工作面上設(shè)計一種基于ARM嵌入式的保護控制系統(tǒng)，分析控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及控制方案，確保帶式輸送機的就地、遠程、集控和檢修四種，最基本的控制功能，實現(xiàn)保護系統(tǒng)的各項功能。

2) 通過對系統(tǒng)進行穩(wěn)定性和功能測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)的各項功能全部正常運行，誤報率為0，系統(tǒng)設(shè)計達到要求，實現(xiàn)了帶式輸送機的自動控制，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。