基于LIN 總線的采煤機遠程監控系統的設計與應用

林 飛

（潞安化工集團余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

引言

近年來，遠程監控技術興起，在煤礦綜采作業面得到了較為廣泛的應用，取得了較好的應用效果，大大提高了作業人員安全和生產作業效率[1-2]。因此借鑒已有的遠程監控系統，結合煤礦井下采掘作業環境，以某型號采煤機為研究對象，開展采煤機遠程監控系統的設計與應用研究工作，對于推動整個綜采工作面無人化工作具有重要的意義[3-4]。

1 LIN 總線技術特性

LIN 總線使用SCI/UART 協議，能夠配合大多數微控制器使用，具有很好的通用性。單線連接時的LIN 總線的物力結構較為簡單，傳輸距離較遠，可達40 m 左右。在單主控制器配合多從機組結構中不需額外配置仲裁機制，在網絡拓撲結構中，主節點控制訪問物理線路，全部從節點均可接收命令并僅有一個做出響應。LIN 總線的編碼方式為NRZ，同時具有I2C 和RS232的性能，數據傳輸速率為20 kbit/s。應用時可以選擇奇偶校驗和求和校驗相結合的雙重校驗機制，具備自動檢測故障節點的功能。為了適應不同場合通信任務的要求，具有應答幀報文的數據域長度可設置功能。LIN 總線通信從節點的自我同步機制無需另外增設晶振器件，結構調整靈活簡便，添加或者刪除從節點時，不需要改變從節點的軟件配置和硬件結構。

2 系統總體設計

采煤機遠程監控系統的設計基于LIN 總線通信技術完成，其總體結構如圖1 所示，主要包括基于LIN 總線的采煤機控制鍵盤、遠程通訊設備和人機交互界面等部分。采煤機控制鍵盤主要完成采煤機運行狀態參數的采集工作，之后將采集得到的數據信息經LIN 總線傳輸至PLC 主機進行數據交換。遠程通訊模塊（A/B型）協同配合應用，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據共享。人機交互界面用于顯示由綜采工作面采集得到的采煤機工況信息，并實時顯示數據或者視頻圖像[5-6]。

圖1 采煤機遠程監控系統結構組成

3 遠程監控系統設計

3.1 硬件設計

3.1.1 采煤機控制鍵盤

采煤機控制鍵盤的設計基于LIN 總線展開，控制信息的采集和傳輸由LIN 總線完成，經過轉換模塊將控制信號轉換為DP 總線信號，即可實現與PLC的數據通訊。控制鍵盤總共設置28 個按鍵，還有一個三位的數碼管顯示窗口。配套采煤機控制鍵盤設計了基于LIN 總線技術的8 位數字量采集模塊DI和數字量輸出模塊DO。鍵盤內部的組成包括4 個DI 模塊、1 個DO 模塊、1 個三位可編程數碼管顯示模塊、1 個DP-LIN 轉換模塊。控制信息由DI 模塊采集之后經LIN 總線傳輸至DP-LIN 模塊完成信號的轉換，得到DP 總線信號，與PLC 進行數據交換。相反，PLC 將采煤機實施工藝參數信息傳輸至DP-LIN模塊完成信號的轉換，得到LIN 總線信號，經DO 模塊輸出到數碼管顯示。

3.1.2 數字量采集模塊DI

數字量采集模塊DI 采用微控制器和LIN 總線接口芯片相結合的形式，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 總線通信和采煤機各電機的動作，內核型號為HCS08，支持多種操作模式，包括正常運行、主動后臺、等待、停止等模式。LIN 總線接口芯片采用的是LIN 總線協議，具有很好的匹配性，依據LIN2.1/SAEJ2602 規范能夠可靠地將控制器數據轉換為LIN 總線信號。數字量采集模塊單獨設置1 個撥碼開關，用于改變模塊地址信息，以便提高系統模塊的可操作性。

3.1.3 數字量輸出模塊DO

數字量輸出模塊DO 設計采用微控制器與LIN總線接口芯片相結合的形式，選擇型號為MC9SO8EL32的微處理器，配置和功能與數字量采集模塊DI 相同，選擇型號為TJA1021TLIN 總線接口芯片。數字量輸出模塊DO 設計過程與原理與數字量采集模塊DI 基本一致，僅在數字量輸出接口配置中存在一定差異，此處不再贅述。

3.1.4 三位可編碼數碼管

三位可編程數碼管工作時可以實時顯示采煤機工藝參數，驅動使用數碼管驅動及鍵盤控制芯片驅動相結合的形式，接收來自單片機的串行輸出、時鐘、加載信號，大大降低了單片機的輸出引腳的配置工作量。選擇型號為CH451的數碼管驅動及鍵盤控制芯片，具有對數碼管動態掃描驅動功能，同時，支持動態掃描極限范圍的設置，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 監控功能，如上電復位和看門狗等。

3.1.5 遠程通訊模塊

采煤機遠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，運行主頻為400 MHz，具有較強的數據傳輸和處理能力，滿足遠程監控系統的通訊要求。工作過程中的電壓為12 V，工作電流不超過500 mA，具有IP54 防護等級，傳輸距離高達500 m 以上，足以滿足煤礦井上井下遠距離數據信息的傳送。同時VDSL2 通訊模塊自帶以太網通訊接口，具有很好的可擴展性，體積小、可靠性高，在煤礦通信設備中應用理想。

3.2 軟件設計

3.2.1 數字量采集模塊DI

數字量采集模塊DI 主程序的工作流程如圖2所示，開始運行即進入微控制器初始化處理，涉及時鐘、輸入/輸出接口、中斷等，之后設置一定的延時，開始數據無限循環采集過程。參考外部時鐘和總線分頻倍數，在外部振蕩器的高頻范圍內完成時鐘初始化；輸入/輸出接口初始化過程完成設備地址輸入口、8 路數字量輸入端口和輸出口的定義，分別對應A 端口、C 端口和B 端口第五位；將復位接口配置成時鐘等待模式，啟用SLIC 模式并啟用SLIC 中斷標識，完成開中斷功能。

圖2 DI 主程序工作流程

3.2.2 數字量輸出模塊DO

數字量輸出模塊DO 主程序工作流程如圖3 所示，運行程序開始即進入初始化程序，涉及時鐘、輸入/輸出接口、LIN 接口控制器和中斷等。初始化之后進行數碼管功能的配置，如BCD 譯碼方式、關鍵盤開顯示等。通過一定時間的延時即進入數字量輸出無限循環程序。具體的初始化過程與數字量采集模塊DI 基本一致，此處不再贅述。

圖3 DO 主程序工作流程

4 采煤機監控界面設計

人機交互界面主要接收采煤機工藝參數并實時顯示在液晶顯示器中供監控人員觀察，實現采煤機的遠程監控功能，同時，監控人員也可以通過人機交互界面對井下采煤機發號施令，實現遠程控制功能。如下頁圖4、圖5 所示，給出了采煤機遠程監控系統的登錄界面和主控界面。監控人員需要輸入自己的賬號和密碼，顯示登錄成功之后進入遠程監控系統。打開遠程監控系統主控界面，即可實時觀察井下采煤機的工藝參數、工作電壓、采煤機位置、行走方向等，供監控人員監視控制采煤機工作。

圖4 系統登錄界面

圖5 系統主監控界面

5 應用效果評價

為了驗證采煤機遠程監控系統設計的合理性，將其應用于某煤炭企業服役中的采煤機中進行試運行，跟蹤記錄系統運行情況。應用結果表明，系統運行穩定可靠，實現了采煤機作業的遠程監控功能，提高了煤炭采掘工作的安全性。統計結果顯示，相較于傳統采煤機操控模式，遠程控制系統應用后，采煤機操作維護人員減少3～4 人，降低了近15%的運行維護成本，提高了近10%的采煤機利用率，預計為企業新增經濟效益近200 萬元/年，取得了很好的應用效果。