基于ARM的礦用帶式運輸機控制器的設計

周建中，陳代偉，王 雷，顧寄南，徐軍霞，楊 治，姬 偉，謝娟娟

ZHUO Jian-zhong1, CHEN Dai-wei1, WANG Lei1, GU Ji-nan2, XU Jun-xia2, YANG Zhi2,JI Wei2, XIE Juan-juan2

（1. 鎮江中煤電子有限公司，鎮江 212016；2. 江蘇大學，鎮江 212013）

0 引言

帶式輸送機在礦井地面運輸系統、礦山的井下巷道、選煤廠采礦場中被廣泛應用，系統的運行效率與安全性直接影響企業的經濟效益。傳統的膠帶機綜合保護器多采用以可編程控制器、單片機、模擬電路和繼電器構成的保護裝置作為核心的控制裝置，這種控制裝置具備綜合保護、集中控制等功能，運行安全可靠、安裝方便。但僅僅實現對現場設備的控制無法滿足更高的需求，而對現場設備運行狀況的實時響應才具備更多的實際意義。本文提出了一套基于ARM的帶式輸送機監控系統，該系統實現打滑、超溫灑水、堆煤、急停、跑偏、撕裂等保護，通過ARM的快速處理能力，可實現性能完善且復雜的保護方式，大大提高了生產效率的同時，控制器具有強大的網絡能力和歷史數據記錄功能，支持開放式的通訊協議，是一種安全可靠的監控裝置。

1 帶式輸送機控制器的結構設計

井下煤礦皮帶機監測系統組成如圖1所示。其下位機采用Philips公司推出的LPC2132CPU微處理器為運算核心的ARM智能控制系統，主要負責采集煤礦井下皮帶機的開停狀態、皮帶運輸機的堆煤煤位信號、皮帶運輸機的打滑及超速速度信號、皮帶運輸機巷道的煙霧濃度信號、皮帶運輸機主滾筒的溫度信號、皮帶運輸機的皮帶跑偏信號、皮帶運輸機的張緊度信號等參數，并對采集的數據進行分析處理，自動采取相應的措施（斷開輸送機的控制電路、超溫灑水、對皮帶進行張緊等保護）及發送相應的控制信號給各種保護裝置。控制器與外部設備交換數據主要由芯片的GPIO口進行脈沖和高低電平的發送和接收，實現聲光報警、超溫灑水、電機開停、張緊裝置的控制；系統外接采用標準的RS-485總線通訊接口，通信協議采用MODBUS標準通信協議，上位機只需具有相同的通訊接口并采用相同的通信協議就可以與該控制器進行通信，實現數據共享和遠程監控。

圖1 系統總體結構圖

智能控制模塊主要是以LPC2132微處理器為運算核心，含有模擬量、數字量采集，傳輸、存儲、聲光報警、控制、界面顯示等功能模塊，LPC2132是支持仿真和跟蹤的32位ARM7TDM1-STM核的CPU，其處理速度和運算能力都滿足控制要求，并帶有4個通信接口，具有緩沖功能，2個32位定時器，1個10位8路AD轉換器共包含16個模擬輸入，每個通道轉換時間低至2.44us，一個10位D/A轉換器，可提供不同的模擬輸出，47個5V的GPIO口。64Kb的嵌入式高速FLASH存儲器，128位元寬度的存儲器界面和獨特的加速結構使32位元代碼能夠在最大時鐘速度下運行。較小的封裝和較低的功耗使得LPC2132特別適用于皮帶機控制系統。以LPC2132為核心的的智能控制器除具有以上性能以外，還具有豐富的資源和通訊設備的接口，能夠實現與PC機通訊，完成系統運行程序的仿真調試、固化及進行實時狀態監測與數據顯示。

2 控制器的外圍硬件電路

2.1 差動放大器放大倍數的計算

本系統中的放大電路采用LM324N加上外部電路作為運放。放大電路如圖2所示。

圖2 放大電路

經計算從電橋輸出的電壓差值在100mV之內，而ADC的標準電壓在0～5V間，故采用一級放大電路即可，放大倍數在40倍左右。

2.2 通信接口電路設計

LPC2132具有符合16C550工業標準通用串行收發器（UART）接口，通過RS485串行總線發送信號，實現了上位機與下位機之間的實時通信，它的通信接口電路如圖2所示，ARM通訊引腳發出的電平信號經過光耦隔離后，再通過MAX483芯片將該信號轉換為485總線的電平。通訊地址設置為1!250，通訊速率1200!115200kb/s可設，采用國際標準的MODBUS協議。為防止數據在通訊傳輸中失真的情況，在接口電路中加入了光耦隔離。通信接口電路設計如圖3所示。

圖3 通信接口電路

2.3 模擬信號調理電路設計

皮帶輸送機的速度傳感器、溫度傳感器、張力傳感器等出來的模擬信號經過AD采樣之后送入ARM進行數據處理。但是上述傳感器輸出的模擬信號為固定的4～20mA的電流信號，需要經過專門的調理電路將電流信號轉變為電壓信號，以便于AD進行采樣。然后將AD輸出的數字信號送給ARM進行處理。

如圖4所示：A1為傳感器出來的模擬信號，經過調理電路輸出為數字信號即A0的值。其中TL431是一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準電壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vref（2.5V）到36V范圍內的任何值，電壓范圍大完全滿足我們的需求。HCNR201是光電耦合器，在此檢測系統中，由于實際工作環境比較惡劣，采用光電耦合器來實現信號的傳輸，抑制干擾信號由采集信道混入控制設備，從而保證控制系統正常穩定的工作。由于光電耦合器中的發光二極管作為為電流驅動器件，因而應以電流環路的形式進行傳送，而且電流環路是低阻抗電路，噪聲對其影響的能力相對較弱，因此改善了電路的抗干擾能力。有時干擾噪聲雖有較大的電壓幅度，但其能量小，所以只能形成微弱的電流，而光電耦合器輸入部分的發光二極管是在電流狀態下工作的，只有在通過一定強度的電流時才能發光，因此，即使有很高電壓幅值的干擾，也會因其所形成的電流大小而被抑制掉。能減掉不少的干擾，對系統的穩定性起了很大的作用。

圖4 模擬信號調理電路

2.4 開關量調理電路設計

堆煤、急停、跑偏、撕裂都是開關量，且輔助節點均為無源干節點的開關動作會干擾系統的正常工作，需要對開關量進行調理，圖5為本系統采用的開關量調理電路。EXIN1為開關量的輸入端，開關量經過光耦隔離后送人ARM處理器的I/O口。如圖5示PC817為處理信號為數字信號的單通道光耦。開關量由EXIN1輸入經過光耦之后由USLRCK輸出。而PC817正好處理數字量，符合本開關量調理電路的設計。

3 系統的軟件設計

軟件部分的主要采用嵌入式C語言，在ADS1.2編譯環境下運行，結構清晰，方便升級和移植。系統工作時首先進行初始化等準備工作，然后調制諧波，進行數據采集，信號經過硬件放大濾波處理后，送入ARM進行數字信號處理。整個系統程序的設計包括主程序和子程序兩個部分。主程序包括：循環采集、數據處理等工作。子程序包括：參數設置程序、中斷服務程序、延時程序等，各個子程序的功能在主程序中得到實現。軟件流程圖如圖3所示。

圖5 開關量調理電路

圖6 系統的軟件流程圖

4 結束語

結合計算機控制技術、監控技術、故障檢測技術、通信技術，開發了一種礦用帶式輸送機過程控制系統。該系統實現打滑、超溫灑水、堆煤、急停、跑偏、撕裂等報警與保護，避免了壓煤、斷帶等情況的發生。并且和傳統的監測裝置和基于單片機的裝置相比，該系統降低了系統功耗，加快了運行速度；系統工作靈活、安全可靠，具有故障監測、保護、語音聲光報警、設備啟動預警、等功能；在設計時預留有接口，方便系統升級。同時，該研究成果對其他企業也有良好的參照價值，具有重要的研究意義和良好的應用前景。

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