兩級CAN總線煤礦皮帶機保護器

徐 剛, 伍 龍, 苗 磊

(淮南師范學院 機械與電氣工程學院， 安徽 淮南 232038)

0 引 言

煤礦皮帶機保護器是用于煤礦煤炭運輸過程中對皮帶機跑偏、打滑、撕裂、堵料、料流、超溫、粉塵等信息進行監測，判斷是否出現故障或危險，并及時報警或停機操作起到保護作用[1]。與傳統皮帶機保護器相比，不僅提供多種傳感器接口電路，兼容多種第三方傳感器信號輸入；所設計的兩級CAN總線通信網絡，CAN總線主網主要用于組建遠程分布式皮帶機多參量監控網絡，CAN總線副網主要用于與上位機或監控終端組網，實現數據與操控命令交互功能。

1 系統總體方案設計

根據目前煤礦皮帶機運行過程中所需保護的功能要求，所設計的總體系統框圖如圖1所示。

圖中共8路開關信號采集接口、8路模擬電壓信號采集接口和4路頻率信號采集接口，用于兼容第三方皮帶機跑偏、溫度、速度、張力、撕裂、料流、煤位、粉塵傳感器等數據。CAN總線副網用于組建分布式監測網絡，CAN總線主網用于數據與操控命令的互傳。采用液晶屏實時顯示皮帶機各參量狀態信息，使用紅外遙控器設置相關參數，如傳感器接口設定、參數標定、組網配置等系統參量[2]。

圖1 總體系統框圖

2 主要硬件設計

2.1 微處理器

系統采用STM32F103ZET6單片機作為主控制器，單片機基于Cortex-M3內核的32位微處理器，價格便宜，提供的硬件資源非常豐富。具有64 kB的SRAM，512 kB的FLASH存儲空間；8個定時器，頻率脈沖捕捉/比較功能豐富，集成多種通信接口；內置3個12位ADC轉換采樣模塊，其轉換速率可達1 MHz，實時性高；擁有112個通用IO口[3]，使用方便，簡化了硬件電路設計。其工作頻率可倍頻至72 MHz下工作，運行速度快。工作電壓3.3 V，工作溫度范圍-40～+85 ℃。采用ST官方提供的一整套庫函數，減輕軟件開發難度與周期，因此，滿足本設備設計需要。

主要硬件接口電路如圖2所示。

2.2 開關信號采樣

圖2(A)為皮帶機保護器開關信號傳感器采樣電路，經8路模擬電子開關CD4052進行順序切換通道，將8路開關信號依次循環送出，并接電容濾除信號毛刺，再送給由三極管S8050和光電隔離芯片TLP521-4構成的整形隔離電路，供給單片機IO口采集。本電路只需一路整形隔離成本，完成16路開關信號的數字隔離采集，提高了開關信號采集的質量，也降低了硬件成本。

2.3 頻率信號采樣

圖2(B)為皮帶機保護器頻率信號傳感器采樣電路，頻率信號通常為標準200～1 000 Hz方波信號，在工況中，信號會受到一定的干擾和衰減，通過所設計一個由三極管構成的整形電路，提高頻率信號跳變沿質量。為了提高頻率測量精度，采用測周法測量頻率值，配置STM32F407VET6的捕捉功能模塊,對頻率信號的跳變沿進行捕捉，通過每兩次的捕捉差值來計算流量信號的周期，折算出其實際對應的物理參量值，具有捕捉速度快、精度高等優點。

2.4 模擬信號采樣

圖2(C)為皮帶機保護器模擬信號傳感器采樣電路，經8路模擬電子開關CD4052進行順序切換通道，將各路模擬信號依次通過電感電容濾波，然后接一級電壓跟隨器輸出，提高模擬信號質量和帶載能力，后送給12位串行AD芯片ADS7818轉換為數字信號后，接入微處理的IIC接口進行數字采集。本電路只用一路AD數字成本，完成8路模擬信號的數字采集，不僅提高了模擬信號采集可靠性，而且降低了硬件成本。

2.5 遙控與顯示

圖2(D)為皮帶機保護器遙控與顯示電路，為了方便煤礦技術員的操作，本系統采用紅外解碼收發芯片BL9149/BL9148設計無線遙控電路，簡化了紅外通信編碼協議，微處理器通過外部中斷程序來識別對應IO口電平變化，得到鍵值，進行控制操作[4]。采用10寸液晶屏顯示皮帶機運行參數。

圖2 主要硬件接口電路

2.6 CAN總線接口

圖2(E)為系統設計的主副CAN通信隔離接口電路，主要是為了降低CAN總線通信負載壓力，提高通信質量。CAN總線主網和副網均采用TJA1052T隔離收發器，主網完成各分站間的實時數據交互[5]，副網完成與上位機或監控平臺之間的數據上傳和操控交互。

2.7 系統供電

皮帶機保護器的電源供電電路如圖3所示。

圖3 供電電路

采用分模塊電源穩壓供電，外部電源先串接自恢復保險絲，并接壓敏電阻，起到過流保護和過壓保護功能，經電感電容濾除噪聲，接入共模電感起到抑制共模干擾，經TPS7350穩壓芯片構成穩壓電路來穩定輸出5 V，并接電源指示燈指示供電狀態。然后，分別經過4路TPS7330電源穩壓模塊輸出4路DC3.3V，主要為微處理器、液晶屏、CAN通信電路、其他硬件電路供電。達到各電路分模塊穩定供電需求。

3 模擬信號數據和頻率信號數據處理----3σ準則

4 軟件設計

系統主要完成的任務是各傳感器的參數配置、采集濾波與動態顯示，主副CAN總線通訊數據收發管理、歷史報警信息保存、查詢與保護動作響應等。程序設計采用模塊化[7]，對傳感器信號采集采用順序調用執行，對紅外遙控采用外部中斷查詢識別按鍵值，進行相應設置操作，對液晶屏顯示采用定時器500 ms周期定時顯示，并判斷是否出現警情，如果出現，對警情狀態進行保存，方便技術員查詢維修。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程

5 結 語

煤礦皮帶機保護器用于煤礦安全生產，能實時、準確、監測煤礦皮帶機的運行狀態。其所設計的多種傳感器信號接口方便第三方傳感器的選型，提高了兼容性；所設計數據處理算法能有效去除采集數據的粗大誤差，提高了采樣數據的可靠性，消除了誤判，能夠有效保證皮帶機安全運行；設計的主副CAN總線接口實現了遠距離超長皮帶機的組網監控與數據命令互傳。人機界面友好，方便煤礦技術員操作，能夠滿足目前煤礦安全生產對皮帶機的保護要求。