礦井采煤機動態智能報警系統關鍵技術研究

楊凱

摘要：煤礦井下采煤機安全、高效循環運行依賴兩條主線有效控制完成，采煤機智能監測系統的完善，可以幫助設備運行人員更好的操作設備，現有采煤機技術缺少多方面的監測環節。本文提出了一種基于CAN總線的采煤機的智能報警系統的組網設計。本文參照徐工集團MG500采煤機、北方交通MG450等采煤機控制系統設計原理、設備相關參數及運行狀況進行對比研究。以現場總線技術為基礎，AT89S52處理器為核心的智能組網設計，與一般的組網設計相比具有明顯的優點，有著廣泛的工程機械應用前景。

關鍵詞：煤礦;CAN總線; 智能報警;采煤機

引言

采煤機智能報警系統的組網設計，是一個下位機模塊。系統以AT89S52為核心，基于CAN總線智能報警系統的組網設計，由鍵盤顯示與報警電路、網絡傳輸模塊組成。系統利用鍵盤顯示電路模擬網絡地址，當被監測點數據異常，系統將報警信號傳輸到操作室同時發出進行報警信號;網絡選用CAN現場總線，可以接收主站發送過來的命令，根據不同的命令，系統會做出相應的處理。

本文主要是研制出一套適用與采煤機的信息監測的裝置。系統所實現的功能是實時采集采煤機監測點數據并存儲、顯示、傳輸、報警與處置，因此主要內容如下：礦用大型采煤機報警系統的硬件部分由數據采集模塊、微控制器模塊、通信模塊、報警電路模塊，鍵盤顯示模塊、電源模塊組成。利用Altium進行電路原理圖及印刷電路板的設計。

1采煤機智能報警系統的現狀及CAN現場總線

目前，國外己有許多煤礦開采都己開始采用CAN總線來實現采煤機內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。[1]CAN總線技術在我國的應用起步比較晚，2003年開始采煤機監測系統才被引入大型礦井采煤機監測機制中，2008年現代化大型礦井的建設，該項技術得以發展推廣。現場總線是用于過程自動化，將智能化現場設備與高層設備之間互聯，實現全數字、串行、雙向傳輸的通信系統。現場總線主要有以下幾種類型：基金會現場總線（FF）、LonWorks、ProfiBus、CAN、HART，而其中CAN即控制器局域網因為具有高性能、高可靠性以及獨特的設計而越來越受到關注。

2系統結構設計

2.1系統結構

其基于CAN總線的采煤機智能報警系統總體結構圖2.1所示。

其中采煤機智能報警系統的組網硬件電路分為5大模塊：電源模塊、CAN總線控制模塊、顯示模塊、報警模塊、單片機控制電路模塊。

2.2系統開發的軟件和硬件平臺

硬件平臺用兩個單片機最小系統的開發板，兩個CAN通信模塊搭建整個組網的模擬平臺，以一個單片機開發系統的鍵盤模擬報警信號的輸入信號，以便滿足軟件的調試，在硬件電路設計好以后，軟件設計則是最重要的一個設計部分，CAN總線所實現的智能化、集約化功能都是由軟件來完成的。

軟件開發環境：微處理器AT89S52可支持匯編語言和C語言，語言編程器Keil uVision4可以簡化編程，可讀性好，調試方便所以本系統軟件主程序采用C語言編寫，將編輯好的程序編譯后下載到單片機中實現軟硬件的聯調試。

3硬件電路設計

3.1系統硬件電路總體設計

根據系統的功能要求，硬件設計的基本思路是以單片機為核心，根據需要添加相應的功能電路。本裝置以AT89S52為核心，由5部分電路組成：電源模塊、CAN總線控制模塊、顯示模塊、報警模塊、單片機控制電路模塊。由以上5部分組成本硬件電路智能報警系統的組網設計

3.2處理器AT89S52

目前，總線接口電路的設計方法有如下兩種：一種是帶片內CAN控制器的微控制器;另一種是微控制器與獨立的CAN控制器。本文選擇用ATmel公司生產的與MCS-51兼容的低功耗、高性能的CMOS8位微控制器AT89S52。

AT89S52具有如下特點：8kBytes Flash片內程序存儲器，256bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優先級2層中斷嵌套中斷，3個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器。

3.3電源部分

電源變換電路，外接交流電220V經過變壓器降壓、橋式整流電路得到12V直流電壓。再經電容濾波電路、三端穩壓器7805得到5V電壓，用做系統電源。

3.4CAN總線的接口電路設計

硬件電路的設計主要是CAN通信控制器與微處理器之間和CAN總線收發器與物理總線之間的接口電路的設計。CAN通信控制器是CAN總線接口電路的核心，主要完成CAN的通信協議，而CAN總線收發器的主要功能是增大信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾（RFI），實現熱防護等。

本文所設計的CAN總線接口電路是采用TJA1050作為微處理器，CAN總線通信接口中采用PHILIPS公司的獨立CAN通訊控制器MCP2515和高性能CAN總線收發器TJA1050。CAN總線接口框圖3.1所示。

MCP2515在電路中是一個總線接口芯片，通過它實現上位機與現場微處理器之間的數據通信。該電路的主要功能是通過CAN總線接收來自上位機的數據命令，然后分析判斷接收數據的內容，下位機將決定做出什么樣的處理，當CAN總線接口接收到下位機的上傳數據， MCP2515就產生一個中斷，引發微處理器產生中斷，通過中斷處理程序接收每一幀信息并通過CAN 總線上傳給上位機進行分析。TJA1050是CAN總線接口電路的核心，其承擔CAN 控制器的初始化、CAN的收發控制等任務。

AT89S52是CAN總線接口電路的核心，其承擔CAN控制器的初始化、CAN的收發控制等任務。在電路圖中，AT89S52單片機的P1.0-P1.4端分別控制MCP2515的RST、CS、SO、SI、SCK端。MCP2515與單片機之間用SPI串行通信方式，P1.1控制片選信號CS，當CS接到低電平時，MCP2515 被選中，CPU可對MCP2515進行讀/寫操作。

3.5報警電路設計

聲光報警電路主要由有源蜂鳴器、發光二極管及其驅動三極管組成。當被監測的傳感器接發出報警模擬信號， 蜂鳴器鳴叫， 同時發光二極管也亮起來。系統報警電路由P2.0引腳驅動，當單片機判斷有上面的情況發生時， P2.0輸出低電平，使圖中的Q2導通，蜂鳴器發出聲音，發光二極管發出光。圖中R21為上拉電阻，在系統上電或管腳初始化時防止管腳出現瞬時低電平而引發的誤觸發，造成錯誤報警。D3起保護蜂鳴器作用。

結束語

（1）了解目前智能系統監控裝置在采煤機應用現狀及發展，初步確定系統要實現的功能。分析了現場總線技術的特點和優點，通過對國內外研究現狀分析，提出了基于CAN總線的礦井采煤機監測智能系統的組網實現方式。

（2）重點智能系統的組網實現結構，并在CAN總線技術研究的基礎上，設計了基于CAN總線的組網系統。并詳細介紹了軟、硬件開發的關鍵技術和實現方法。

（3）本文的不足之處，沒有將此技術及試驗平臺在相關采煤機上進行安裝和現場試驗，對系統功能實現和效果評估沒有相關試驗數據，希望今后將此研究理論應用到設備上，通過試用為系統升級提供數據支持。

參考文獻

[1] 楊春杰. CAN總線技術[M].北京航空航天大學出版社，2010.

[2] 張平.AT89S52單片機基礎項目教程[M].北京理工大學出版社.2017

[3] 丁華.采煤機動力學分析方法與系統[M].科學出版社. 2019