王德勝，米 娜（淮南礦業(yè)（集團）公司謝一礦，安徽 淮南 232001）

基于CAN總線皮帶機控制系統(tǒng)遠程控制器的研究

王德勝，米 娜（淮南礦業(yè)（集團）公司謝一礦，安徽 淮南 232001）

分析了CAN總線技術(shù)以及煤礦井下皮帶機系統(tǒng)的相關(guān)特點，針對皮帶機控制系統(tǒng)的需要設(shè)計并應(yīng)用了CAN總線技術(shù)的遠程控制器，為井下及任何場所的皮帶機控制系統(tǒng)提供了組建的便利，并同時應(yīng)用了μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)為皮帶機控制系統(tǒng)增加了可靠性，為CAN總線在皮帶機控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

CAN總線技術(shù)；皮帶機控制；遠程控制器

1 前言

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，煤礦自動化程度越來越高。井下皮帶機控制系統(tǒng)也實現(xiàn)了自動化，不僅能在現(xiàn)場控制，而且能在地面控制中心實現(xiàn)遠程控制和檢測各種數(shù)據(jù)參數(shù)。國內(nèi)大多數(shù)的皮帶機控制系統(tǒng)用的是CAN總線技術(shù)。當整個系統(tǒng)安裝完成后，如果由于現(xiàn)場的需要，在遠離控制器的地點增加設(shè)備，并且實現(xiàn)遠程控制和檢測功能，就需要增加一個CAN總線技術(shù)的遠程控制器，并且該控制器不僅能實現(xiàn)各種控制功能，而且能夠根據(jù)需要隨時增加各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集傳感器。

2CAN總線

2.1 CAN總線簡介

CAN（Controller Area Network）總線是一種現(xiàn)場總線，主要用于各種過程檢測及控制。1990年由德國Bosch公司為汽車監(jiān)測和控制而設(shè)計，目前CAN已逐步推廣為一種現(xiàn)場總線ISO-11898國際標準。它具有實時性強、可靠性高，且開發(fā)工具廉價的特點。Motorola、Intel、Philips等公司都為其提供硬件支持。

CAN總線系統(tǒng)是由許多CAN節(jié)點組成，CAN總線將各個節(jié)點連接起來，其總線總長度最大為10km。CAN總線可以通過鏈接設(shè)備（Linking Device）與上層網(wǎng)絡(luò)相連，上層網(wǎng)絡(luò)可以是信息網(wǎng)或其它標準的總線。

CAN總線協(xié)議遵從OSI模型，其數(shù)據(jù)鏈路層和物理層由CAN2.0協(xié)議規(guī)范描述。CAN2.0協(xié)議規(guī)范沒有描述CAN總線協(xié)議的應(yīng)用層，所以，其應(yīng)用層需要另行構(gòu)建。

2.2 CAN總線結(jié)構(gòu)

CAN總線節(jié)點由微處理器系統(tǒng)、CAN控制器、CAN總線收發(fā)器三部分組成。CAN總線節(jié)點組成及連接示意圖見圖1所示。

圖1 CAN總線節(jié)點組成及連接示意圖

節(jié)點中微處理器系統(tǒng)由微處理器和本地應(yīng)用電路構(gòu)成，微處理器是整個節(jié)點的控制中心，本地應(yīng)用電路與現(xiàn)場設(shè)備相連，節(jié)點中CAN收發(fā)器與CAN總線相連，CAN總線節(jié)點是連接現(xiàn)場設(shè)備和總線的關(guān)鍵。

CAN總線節(jié)點具有兩個重要功能，即總線通信功能和本地控制功能?？偩€通信功能完成與總線上其它節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸；本地控制功能完成對與本節(jié)點相連的現(xiàn)場設(shè)備的控制。節(jié)點加上現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成了一個控制系統(tǒng)，而且是具有通信功能的控制系統(tǒng)，CAN總線是將眾多這樣的控制系統(tǒng)連接在一起的信息通道，采用CAN總線技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)，這體現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術(shù)的本質(zhì)。

2.3 CAN總線的特點

（1）CAN可以是對等結(jié)構(gòu)，即多主機工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，通訊方式靈活。

（2）CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點可以分為不同的優(yōu)先級，滿足不同的實時需要。

（3）CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點自動停止發(fā)送，在網(wǎng)絡(luò)負載很重的情況下不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

（4）CAN可以點對點、點對多點、點對網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通訊距離最遠10km(5kb/s)，節(jié)點數(shù)目可達110個。

（5）CAN采用的是短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，具有CRC校驗和其它檢測措施，數(shù)據(jù)出錯幾率小。CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉功能，不會影響總線上其它節(jié)點操作。

（6）通訊介質(zhì)采用廉價的雙絞線，無特殊要求，用戶接口簡單，容易構(gòu)成用戶系統(tǒng)。

3 總體方案設(shè)計

3.1 需求及技術(shù)分析

皮帶機是在一定的線路上連續(xù)運輸煤炭或者其他物料的物料搬運機械，又成為連續(xù)輸送機，皮帶機可以進行水平、傾斜和垂直輸送，也可組成空間輸送路線，輸送線路一般是固定的。

井下的出煤系統(tǒng)基本都是用皮帶機出煤，根據(jù)煤礦安全規(guī)程規(guī)定皮帶機必須安裝皮帶機控制系統(tǒng)和皮帶機保護系統(tǒng)。

皮帶機控制系統(tǒng)中可以包含保護系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)中，可以控制幾條皮帶機，組成空間出煤系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中不僅要同時控制幾條皮帶機的驅(qū)動裝置、漲緊裝置以及沿線中相應(yīng)的滅塵系統(tǒng)、散水系統(tǒng)等，而且要控制皮帶機保護系統(tǒng)中的溫度保護、煙霧保護、速度保護、滿煤保護、跑偏保護、縱撕保護、沿線緊急停車等8大保護系統(tǒng)。

在整個皮帶機控制系統(tǒng)中，必須由一個控制中心控制整個系統(tǒng)的運作，則在皮帶機沿線中控制的相關(guān)系統(tǒng)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作就要交給遠程控制器，由遠程控制器來完成，各種現(xiàn)場設(shè)備的控制功能、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集功能和現(xiàn)場各種保護功能。

3.2 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計中采用主/從結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2所示。其中主機通過CAN總線適配器與CAN總線相連，遠程控制器采用統(tǒng)一供電方式，終端是CAN總線所要求的安裝在總線的兩端。遠程控制器1至遠程控制器n是CAN總線節(jié)點，主要完成各種現(xiàn)場設(shè)備控制功能和被控量的采集以及與主機的通信。

主機采用查詢方式訪問遠程控制器，數(shù)據(jù)的采集工作在遠程控制器中完成，完成后供主機讀取?？偩€的最大長度可以達到10km，這一長度完全可以滿足目前皮帶機控制系統(tǒng)的要求。

在正常系統(tǒng)運行狀態(tài)下，遠程控制器負責執(zhí)行主機的命令和采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，比如執(zhí)行主機控制現(xiàn)場的部分啟動器以及CST和CSB等，同時根據(jù)現(xiàn)場采集的實際數(shù)據(jù)控制降溫系統(tǒng)和滅塵系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

每個遠程控制器根據(jù)現(xiàn)場需要安裝被控設(shè)備或者采集數(shù)據(jù)情況，相應(yīng)安裝遠程控制器。由于系統(tǒng)要統(tǒng)一供電，故不能使用無線通信系統(tǒng)，則沿途采用4芯線連接各個控制器，這樣系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性方面比較高。

4 遠程控制器軟硬件設(shè)計

4.1 遠程控制器硬件設(shè)計

CAN遠程控制器硬件采用的是PHILIPS公司的LPC2119，該芯片基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU，并帶有128/256k字節(jié)(kB)嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。

LPC2119采用非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、2路CAN、PWM通道、46個GPIO以及多達9個外部中斷。并且內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口。

在LPC2119內(nèi)部含有2路CAN控制器，只需在外部連接一個CAN收發(fā)器即可，為增加抗干擾能力，在LPC2009和CAN收發(fā)器之間增加光電隔離器件。該系統(tǒng)選擇目前應(yīng)用比較廣泛的 Philips公司接收器82C250和通用6N137光電隔離器件。硬件結(jié)構(gòu)如圖3。

同時在該遠程控制器中增加簡單的電源及狀態(tài)指示功能和簡單的故障報警功能。

4.2 遠程控制器軟件設(shè)計

遠程控制器軟件采用移植μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS）作為系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可靠性高、實時性強、可裁減性好等特點。

圖3 遠程控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

μC/OS-II操作系統(tǒng)包括了任務(wù)管理、時間管理、信號量管理、事件管理、郵箱消息管理、消息隊列管理、內(nèi)存管理、事件標志組管理等幾個部分。μC/OS-II只占用了很小的存儲空間，并可高度裁減，保證了系統(tǒng)能高效運行。

在μC/OS-II操作系統(tǒng)下編寫應(yīng)用程序就相對變的簡單，應(yīng)用程序主要包含通信程序、控制程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、顯示報警程序四個部分。這里主要對通信程序和數(shù)據(jù)采集處理程序簡單介紹。

通信程序采用中斷方式，數(shù)據(jù)采集處理程序采用定時方式，程序流程見圖4。

圖4 程序流程圖

通信程序：中斷后，接受總線上的數(shù)據(jù)，通過判斷接受到的數(shù)據(jù)確定是控制命令還是數(shù)據(jù)讀取命令，若是控制命令，分析控制命令的類型后發(fā)送相應(yīng)的信號量激活控制程序；若是數(shù)據(jù)讀取命令，讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)后編譯成相應(yīng)報文發(fā)送總線。

數(shù)據(jù)采集處理程序：定時中斷后，執(zhí)行循環(huán)采集相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)，然后分析處理后，如果出現(xiàn)故障后，首先判斷是否為停機程序，如果為停機程序，發(fā)送相應(yīng)的信號量激活通信程序，并停機閉鎖顯示故障信息；若不是停機程序，顯示故障提示檢查。如果沒有出現(xiàn)故障，把采集的數(shù)據(jù)信息存入相應(yīng)寄存器以備通信程序讀取。

5 結(jié)語

本文所設(shè)計的基于CAN總線遠程控制器不僅可以滿足本煤礦井下皮帶機控制系統(tǒng)，而且適合于任何CAN總線的系統(tǒng)，為CAN總線控制系統(tǒng)提供了很好的組建平臺。該控制器已經(jīng)通過實驗室實驗，并到現(xiàn)場投入運行實驗，現(xiàn)正在取得防爆合格證和煤礦安全許可證，取得證書后就可推廣應(yīng)用。

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Research on remote controller of belt conveyor control system based on CAN bus

The relative characteristics of CAN bus technology and underground belt conveyor in coal mine were analyzed.In view of the demand of belt conveyor system,the remote controller based on CAN bus technology was designed and applied to provide convenience for belt conveyor control system establishment in underground or anywhere.Meanwhile,it also appliedμC/OS-II insert operating system to improve the reliability of belt conveyor control system,which provided the theoretical basis for belt conveyor control system based on CAN bus.

CAN bus technology;belt conveyor control;remote controller

1672-609X（2010）06-0034-04

TD528＋.1

B

2010-05-26

王德勝（1982-），男，山東濰坊人，碩士，工程師，從事煤礦機電管理與機電安裝管理工作。