（机械设计及理论专业论文）基于总线技术和模糊理论的井下皮带运输监控系统研究.pdf

分类号 卫 塑 u d c 6 2 1 工学硕士学位论文 j i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 j l l i j j l l l h l l l j l l f l l l l l l l l i y 2 13 2 7 0 9 密级 单位代码 q q 2 鱼 基于总线技术和模糊理论的井下皮带运输监 控系统研究 作者姓名 赵彦斌 指导教师 王桂梅 申请学位级别 工学硕士 学 科专业 机械设计及理论 所在单位 机电工程学院 授予学位单位 河北工程大学 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o h e b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g s t u d y o nu n d e r g r o u n dm o n i t o r a n dc o n t r o l s v s t e mb a s e do nc a n a n df u z z yt h e o r yf o r b e l t c o n v e y e r s c a n d i d a t e s u p e r v i s o r a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r s p e c i a l t y c o l l e g e d e p a r t m e n t z h a oy a n b i n w a n gg u i m e i m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y c o l l e g eo f e l e c t r i c a la n d m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g h e b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g m a y 2 0 1 2 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得河北王程盘鲎或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担 学位论文作者签名 彩别 签字日期 矽 上年乡月多曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰垦三猩盘堂有关保留 使用学位论文的规 定 特授权塑皇堡墨堡盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学在论文作者签名 旋店女钟 签字日期 弦 上年 月多日 导师签名 王硅 木矛签字日期 弘肛年么月g 日 摘要 摘要 目前煤矿大多采用多种装置对胶带输送机进行监控与保护 但由于各装置问 相互独立 不能对检测信息进行综合判断 出现误报 从而造成输送机不应有的 停机 对煤炭生产效率和矿井经济指标有很大的影响 因此 本文从提高皮带运 输监控系统的自动化水平出发 结合c a n 总线通讯技术和智能控制理论 将模糊 理论应用到皮带驱动电机的调速装置中 并同时将语音通讯与系统监控相结合 建立一套基于c a n 总线和嵌入式系统的煤矿皮带运输监控系统 解决现有的集散 控制中对控制器要求高的问题 实现对皮带运输系统设备的实时运行控制 故障 检测 信息共享和语音通讯的功能 现有大多数皮带调速一般采用交流变频调速 虽然目前能够满足煤矿的需求 但是随着矿井自动化水平的提升 需进一步减小转矩脉动和电机启动电流等的影 响 提高调速系统的响应性和鲁棒性 所以本文将智能控制理论与嵌入式系统结 合 但由于电机调速系统具有非线性 强耦合以及时变的特点 很难建立数学模 型 而模糊控制不用建立数学模型 根据实际系统的输入输出结果 参考现场运 行条件就可对系统进行实时控制 因此本文建立了基于模糊理论的电机调速模糊 控制器 并在m a t l a b s i m u l i n k 软件中进行仿真 通过p i 控制与模糊控制系统的 速度曲线比较 验证了模糊控制器的准确性 稳定性和抗干扰性 同时该系统兼 有嵌入式控制通用性好 可靠性高和总线技术的分散检测控制与集中监控的特点 对于实现煤矿皮带系统自动化控制具有重大意义 关键词 皮带运输系统 a r m 模糊控制 c a n 总线 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t t h ec o a lm i n em o s t l yu s e dv a r i o u sd e v i c e so nt h es y s t e mo f m o n i t o r i n g a n dp r o t e c t i o n b u t i n d e p e n do fe a c ho t h e r t h et e s ti n f o r m a t i o nc a nn o tb ea c o m p r e h e n s i v ej u d g m e n tl e a dt of a s l ep o s t i v e s r e s u l t i n gi nu n d u es h u td o w no ft h e c o n v e y o r i th a v eag r e a ti m p a c to nt h ee f f i c i e n c yo fc o a lp r o u d c t i o na n dm i n ee c o n o m i c i n d i c a t o r s t h e r e f o r e t h i sp a p e re s t a b l i s ham o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ec o a lm i n eb e l t t r a n s p o r tb a s e do nt h ec a nb u sa n de m b e d d e ds y s t e m sb a s e do nt h e c o m b i n a t i o no f c a nb u sc o m m u n n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n d i n t e l l i g e n t c o n t r a lt h e r o v o i c e c o m m u n i c a t i o n sa n ds y s t e mm o n i n t o r i n gac o m b i n i a t i o no fb a s i cr e s e a r c h a p p l i e dt h e f u z z yt h e o r yi n t ot h eb e l td r i v em o t o rs p e e dc o n t r o ld e v i c e i ts o l v e dt h ep r o b l e m so f t h ee x i s t i n gd i s t r i b u t e dc o n t r o la n dc o m p l e t et h ef u n c t i o no fb e l t t r a n s p o r ts v s t e n e q m p m e n tr u n t i m ec o n t r o l f a u l t d e t e c t i o n i n f o r m a t i o n s h a r i n g a n dv o i c e c o m m u n i c a t i o n s a tp r e s e n t m o s to ft h es p e e dc o n t r o lo ft h eb e l t u s u a l l yu s et h ea cv a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a i o n c u r r e n t l yi tc a nm e e tt h en e e d so ft h ec o a lm i n e s b u tw i t h t h eu p g r a n d i n go ft h em i n ea u t o m a t i o nl e v e l t h en e e do ff u r t h e rr e d u c et h e t o r q u er i p p e a n dm o t o rs t a r t i n gc u r r e n ti si no r d e rt oi m p r o v et h er e s p o n s i v e n e s sa n dr o b u s t n e s so f t h es p e e dc o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r e t h i sp a p e rc o m b i n e dt h ei n t e l l i g e n te o n t r o l lt h e o r v a n de m b e d d e ds y s t e m s h o w e v e r d u et ot h em o t o r s p e e dc o n t r o ls y s t e mw i t hn o n l i n e a r s t o n gc o u p l i n ga n dt i m e v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s i ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s ht h e m a t h e m a t i c a lm o d e l f u z z yc o n t r o lw i t h o u tam a t h e m a t i c a lm o d e li sb a s e do nt h ea c t u a l s y s t e mi n p u ta n do u t p u tr e s u l t s i tc a nc o n t r o ls y s t e ma tr e a l t i m eb yr e f e r e n c i n gt h e o p e r a t i n gf i e l dc o n d i t i o n s t h e r e f o r et h i sp a p e re s t a b l i s h e daf u z z yc o n t r o l l e rb a s e do n f u z z yt h e o r yo fm o t o rs p e e dc o n t r o l a n ds i m u l a ti nt h em a t l a b s i m u l i n ks o r w a r e e m u l a t i o n a c c u r a c y s t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s so ft h ef u z z yc o n t r o l l e rb yc o m p a r i n gt h e s p e e dc u r v eo fp ic o n t r o la n df u z z yc o n t r o ls y s t e m t h ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mh a s b o t hv e r s a t i l i t y h i g hr e l i a b i l i t ya n db u st e c h n o l o g y d i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o lw i t hc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gf e a t u r e s i th a sag r e a t s i g n i f i c a n c ef o rt h ec o a lb e l t s y s t e mc o n t r 0 1a u t o m a t i o n k e y w o r d s b e l tc o n v e y a n c es y s t e m a r m f u z z yc o n t r o l c a n b u s i i 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 1 引言 1 1 2 课题研究背景和意义 1 1 3 国内外发展状况 2 1 4 课题的研究内容和主要工作 4 第二章总体设计 6 2 1 系统的总体阐述 6 2 1 1 系统概述 一6 2 1 2 系统功能介绍 7 2 2 基于a r m 的嵌入式处理器 3 c 2 4 4 0 a 7 2 3c a n 总线研究 9 2 3 1c a n 总线的技术特点 9 2 3 2c a n 总线分层结构 1 0 2 3 3c a n 通信协议 1 1 第三章系统硬件设计 14 3 1 检测保护单元选型 1 4 3 1 1 皮带速度传感器 1 4 3 1 2 跑偏开关 1 4 3 1 3 打滑检测装置 1 5 3 1 4 烟雾传感器 16 3 1 5 拉绳丌关选择 16 3 1 6 撕裂开关 1 7 3 1 7 温度传感器 1 7 3 2 通信接口设计 18 3 2 1c a n 接口设计 1 8 目录 3 2 2 串口通信设计 19 3 2 3 语音通信接口设计 l9 3 3 皮带调速单元设计 21 3 4 抗干扰设计 2 3 第四章皮带调速模糊控制器设计 2 4 4 1 模糊控制理论 2 4 4 2 皮带电机模糊控制器设计 2 6 4 2 1 输入和输出变量的确定 2 6 4 2 2 输入和输出隶属度函数的确定 2 7 4 2 3 模糊控制规则 2 9 4 2 4 模糊推理及合成 3 0 4 2 5 模糊决策 3 1 4 3 直流电机模糊控制系统m a t l a b 仿真设计 3 2 4 3 1 直流电机本体模块设计 3 2 4 3 2 逆变器模块和逻辑换向模块设计 3 3 4 3 3 直流电机p i 控制设计 3 4 4 3 4 模糊调速控制器模块设计 3 4 4 3 5 仿真及结果分析 3 5 第五章系统软件设计 3 8 5 1 上位机软件设计 3 8 5 1 1 组态王软件整体结构 3 8 5 1 2 组态设计步骤 4 0 5 1 3 皮带监控系统组态设计 4 l 5 2 系统监控软件的实现 4 3 5 2 1 软件编程环境 4 3 5 2 2 软件结构 4 3 5 3 通信模块程序开发 4 6 5 3 1 串口通信程序设计 4 6 5 3 2c a n 通信程序设计 4 7 5 3 3 语音通信单元软件设计 5 2 5 4 皮带模糊控制算法的软件设计 5 3 结论和展望 5 5 目录 l 结论 5 5 2 展望 一5 5 致谢 5 7 参考文献 5 8 附录 6 1 作者简介 6 4 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果 6 4 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 皮带输送机是一种大型煤矿固定设备 主要用于矿井煤炭 物料等的运输 有着运量大 维护简单 高效率等优点 在煤矿生产中发挥着不可替代的作用 所以现已成为生产中必不可缺的主要运输设备 1 2 j 但由于皮带运输系统本身线路 长且有多个环节需和其他相关运煤设备相配套的特点 因此迫切需要研究一种能 够实时监测 监控皮带机的运行状态 实现自动保护功能的自动化系统 对系统 运行过程中可能出现的打滑 跑偏 过载 自燃等故障进行检测和实时报警 并 予以相应的自动保护 最大限度的降低由皮带机故障所致的损失和影响 3 4 1 从根 本上提高矿井生产效率和减员增效的目 1 2 课题研究背景和意义 随着煤矿设备在大型化 自动化和智能化等方面不断地发展和提高 皮带输送 机已成为一种高效率大运量矿井运煤的主要运输设备之 现有的大中型煤矿所 采用的皮带运输系统由于线路复杂 且多个环节和各种相关运煤设备配套等特点 在皮带输送机的连续运行中 时常会发生皮带跑偏 过载 打滑 超温 撕裂 堆煤等故障 从提高皮带输送机运行的安全性和稳定性考虑 目前大多煤矿已采 用多种保护装置对皮带输送机进行保护 但由于各保护装置间相互独立 不能对 检测信号进行综合分析判断 出现误报错报等现象 从而造成皮带机的停车 对 煤矿生产效率和矿井经济指标有很大的影响 因此 只有综合了多方面的故障信 息 利用智厶匕匕y 她 j i 断方法 才 能在现有的基础上 提高整个输送机系统的安全性 可靠性 实现智能化控制 提高矿井生产的效掣5 6 针对当前井下皮带运输系统的现状 运用c a n 总线技术和嵌入式技术研发集 中监控分布式控制的自动化系统 综合实际现场的生产流程和监控需求分析 研 究设计皮带运输监控系统的主要结构及系统软硬件 利用最新的组态软件工具实 现上位机的集中监控 通过本项目的研究探索建立一套适用于煤矿皮带运输系统 的基于c a n 现场总线和嵌入式系统的自动化系统 解决现有的集散控制中对控制 器要求高的问题 在皮带监控系统的实用性 可靠性和通用性方面取得突破 河北工程大学硕士学位论文 1 3 国内外发展状况 现代计算机技术 网络技术的飞速发展和目益成熟 也在很大程度上推动了煤 矿安全生产监控系统的发展 使计算机监控系统的功能越来越强大完善 逐步推 动煤矿生产安全监控向着数字化 系统化和网络化的方向发展1 7 8 国外 从7 0 年 代就开始了对煤矿胶带运输监控的研究 为提高煤矿生产的安全性 美国 英国 德国 前苏联等主要产煤国 均先后将监测 监控技术应用于安全生产管理中 最初应用于皮带运输机系统的监测保护装置 主要是由一些机械装置组合而成 由于其可靠性差等缺点 随后就被非接触式的保护装置所取代 目前 德国 美 国 日本和乌克兰等一些发达国家的煤矿皮带运输系统均使用非接触式的电磁感 应型监测保护装置 其中以阪东公司的t a t e b o i i i 型号的非接触式保护装置最 具有代表性 它使用的是电磁感应型监测保护装置恻 以及近年来 西方一些主要 产煤国 如英国和德国 在煤矿安全监控系统中均采用较为先进的微型计算机控 制方式 它使用继电器保护 具备功能多 智能化等的优点 1 0 l j 诸如华莱公司 开发生产的矿井双速开关保护系统 是一种以微机控制为核心 模块插件式结构 的保护系统 主要包括输入模块 主控模块 输出模块和显示模块四部分 能够 实现多种保护功能 该系统的电源兼容性强 既适用于地面的供电系统 又可用 于井下供电系统 国内 在煤矿皮带监控方面 起步相对较晚 而且以前对它的重视也不够 直 到8 0 年代初 在对国外煤矿的监控技术进行了大规模考察的基础上 先后从波兰 法国 德国 英国和美国等发达国家引进了一批安全监控系统 如d a n 6 4 0 0 t f 2 0 m i n o s 和s e n t u r i o n 2 0 0 很大程度上促进了国内煤矿监控技术的发展 i 引 在引 进国外先进设备的基础上 消化 吸收了其制造技术 并结合我国煤矿的实际情 况 煤科院等科研院所先后研制出了自己的矿井监控系统 替代了六 七十年代 的模拟仪表监控系统 实现了以单片机 p l c s l c 或微机作为控制器的集中式数 字监控系统 尽管克服了监控精度低实时性差的缺陷 提高了监控系统的抗干扰 能力和实时性 但是由于系统对控制器的性能要求高 必须有足够的数据处理能 力和极高的运行可靠性i l 川 如平煤集团技术中心 煤矿机械厂共同研制的z j z 1 2 7 s a 煤矿带式输送机综合保护装置和淮南卫光电器有限公司生产的p z b j i i 带式 输送机综保监控仪 都属于典型的集中式控制系统 目前 我国大中型矿井皮带 运输系统中使用的自动生产监控系统 大都为集散控制系统 d c s 其核心思想 是集中管理 分散控制 上位机集中监视管理 下位机下放到现场实现分布式控 制 上位机与下位机之间使用监控网络互连以实现相互问的信息通讯 该系统有 效地解决了集中式数字监控系统中对处理器要求高的问题 但仍然存在一个弊端 2 第一章绪论 在实际应用中无法实现网络监控系统所提出的开放性和降低成本的迫切要求 如 由天津贝克电气有限公司生产的k j 5 0 型p r o m o s 监控系统 采用模块化的设计 和快插技术 集监测 控制 安全保障 通讯 管理与一体 但是由于该系统使 用的是自己内部专有的系统总线 不能满足全矿自动化监控系统的信息集成 汇 集及统一传输 协调处理和联动控制i 4 l 引 现场总线技术 f i e l d b u s 是上世纪中期提出的 在微处理器的不断发展下 其性能有显著的提高而价格不断地降低 计算机与计算机网络系统得到了迅速推 动和发展r m 一侧 而处于生产过程的底层系统 仍然采用封闭的集散式系统 使得 设备之间相互以及和外界之间的信息交换难以实现 为此 通过现场总线技术 使系统中处于底层的设备能够直接与内部局域网 外部的i n t e r n e t 互联构成多层次 的网络 实现信息共享的目的 解决了原有系统中一直存在的 信息孤岛 问题 近几年来总线技术的不断发展 市场上已经形成了由几大公司为主导的标准体系 由e c h l o n 公司1 9 9 2 年推出的l o n w o r k s 总线技术1 1 9 2 0 采用的是i s o o s i 七层 协议和面向对象的设计方式 支持传统的多种通信介质诸如双绞线 同轴电缆 和光纤等 但对硬件要求比较高 软件实现也比较复杂 p r o f i b u s 19 是德国国家 标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准 传输速率为9 6 k b i t s 至 1 2 m b i t s 最大传输距离在9 6 k b i t s 下为1 2 0 0 m 在1 2 m b i t s 小为2 0 0 m 传 输介质为双绞线或者光缆 h a r t 2 1 是一个可用于模数混合系统的过渡性协议 可 以实现数字通信 也可以实现模拟信号与数字信号同时双向的通信 其传输介质 常为双绞线 最大节点数为每回路1 5 但是由于其将模拟信号与数字信号混合形 式传输 难以开发出通用的接口芯片 由德国b o s c h 于上世纪提出的c a n 总线 2 2 2 3 1 它在离散控制领域有广泛的使用 其总线规范已被i s o 组织制定成为一种 新的国际标准 并先后得到了包括英特尔 摩托罗拉 n e c 等在内的大型知名 通信公司的认同和实施 它传输信号是以短帧方式结构进行的 降低了数据传送 时间 拥有很高的抗干扰能力 而且可以进行自动关闭总线 c a n 总线是一种具 有多主工作模式和非破坏性总线仲裁技术的总线技术 该优点在于 当遇到数掘 传输冲突时 通过设定数据发送请求的优先级来避免 它支持的传输距离最远可 达1 0 k m 此时传输速率最小仅为为5 k b p s 传输速率最高可达到1 m b p s 此时 传输距离为4 0 m 目前 现场总线技术在矿井自动化中的应用已非常广泛 主要应用于两大领域 一是井下的安全生产监控系统 例如 重庆煤炭研究院自主研制的k j 9 0n b 监控 及系统 基于矿业工业以太网 现场总线技术将各类监控子系统集成到综合自动化 控制网络平台中 取得了较好的效果 常州天地科技自主研制的k j 9 5 n 监控系统 p 引 采用先进的a r m 嵌入式技术 计算机网络技术和e m c 技术 实现矿井各类 3 河北工程大学硕士学位论文 参数的监测 报警和保护控制及瓦斯抽放过程的实时监控 也取得 定的成绩 但是另一大监控系统的地方是井上的安全生产监控 诸如皮带运输监控系统 这 一部分由于起步相对晚做的不够成熟 随着科学技术的发展 传统的控制技术对于具有非线性和不确定性的复杂系 统很难实现精确有效的控制 而智能控制 2 5 j 是指由自动控制和人工智能相结合 使系统能够根据过程状况信息结合其自身拥有的知识进行判断分析并做出相应的 实际控制动作 目前 有多种智能控制理论 瑞典自动控制领域著名专家a s t r o m 教授所阐述的 模糊逻辑控制 神经网络和专家控制是三种典型的智能控制方法 其中的模糊逻辑控制是一种经验丰富基础上总结出的以自然语言表述的控制策 略 或者是在经过大量实际数据而归结分析出的控制规律及规则 并借助强大的 计算机技术而实现的自动控制 与传统控制的不同之处 模糊控制并不需要对控 制对象进行数学建模 而只需要积累系统的操作经验或数据 1 9 7 4 年 英国学者 e h m a m d a n i 发表的论文 a p p l i c a t i o no ff u z z ya l g o r i t h m sf o rs i m p l ed y n a m i c p l a n t 文中介绍了锅炉蒸汽机控制系统的模糊控制器的建立过程 成功地的完成 了锅炉 蒸汽机系统的控制 模糊控制理论和技术由此诞生 此后 模糊控制 便成功地应用于许多领域 在理论和实际应用上得到了飞速的发展i n 6 2 在工业 控制中 现场总线技术的应用日益广泛 如果把模糊控制技术与总线技术相结合 应用到嵌入式系统中来实现模糊控制器 将会使模糊控制在自动化控制中发挥出 更大更重要的作用 因此 如何实现皮带监控系统设备层数字化 提高其设备可 维护性 可扩充性和系统集成度具有极其重要的现实意义 1 4 课题的研究内容和主要工作 研究的内容是 基于c a n 总线技术和模糊理论的井下皮带监控系统的研究 目的是研究 种能够实时监测皮带机各项运行参数保证皮带运输系统的正常运 行 并通过采用模糊算法对皮带机速度进行参数自我调整 使皮带始终维持恒定 的速度 实现了井下皮带运输系统的智能化 经过查阅国内外大量文献 在分析 目前国内外煤矿皮带监控系统的基础上 确定本文研究的主要内容如下 第二章介绍煤矿皮带运输控制系统总体方案的设计 主要包括系统控制器的 选型 现场总线的比较和选择 以及系统的功能介绍 第三章给出了皮带运输控制系统的硬件设计 包含检测单元硬件选型 通信 接口硬件设计和调速单元硬件设计 第四章结合实际现场工况和操作人员的实际工作经验 运用模糊理论知识 建 立皮带机自动调速模糊控制器的设计并在m a t l a b 中作仿真 保证皮带机的平稳 4 第一章绪论 运行 保障现场操作人员的安全 提高煤矿生产效率 第五章主要阐述了皮带监控运输系统的软件设计 包括上位机设计 系统监控 软件设计 通讯模块程序开发和皮带模糊控制算法的软件设计 第六章是全文的总结 并提出对未来工作的展望 5 河北工程大学硕士学位论文 2 1 系统的总体阐述 2 1 1 系统概述 第二章总体设计 弟一早芯件阪丌 本文采用了a r m 嵌入式开发系统 总体结构包括 以a r m 微处理器为核心的 系统控制器 c a n 接口模块 语音通讯模块 数据采集模块和皮带模糊自适应调 速控制器等部分组成 该系统为主从分布式控制 中心端设置一个工作主站 然 后再分布多个分站 当系统某个分站出故障时不影响整个系统的工作运行 保证 煤矿的正常生产 主站及分站均采用由a r m 单片机组成的嵌入式系统作为整个监 控的核心 通过模块化设计的思想 主站系统监控软件将整个皮带系统的总体程 序分成若干功能的相互独立子程序 各分站包括c p u 数据采集 语音信号的采 集及降噪 c a n 总线通讯处理等模块组成 其皮带运输监控系统的总体结构如图 2 1 所示 分站 广上 一 监控模块语音模块 怠i 一 簋 冀l 翼 囊i 鍪 i 1 7j 蒌 委 偏裂停滑 首 器霆 开开拉开 他 饥 赢 最 关关 绳 关牺一 r 噪 懈 器 分站 r l 总线1 监控模块语音模块 下 急打 语语 停滑 音青 拉j 开 传 抗 绳 关 筢 堡 图2 1 系统整体结构图 f i g 2 1o v e r a l ls y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 6 撕裂开关一 跑偏开关一 炳雾传感器一 烟雾传感器 速度传感器一 温度传感器 第二章总体设计 系统中的各个子监控模块是由以单片机为核心开发的微控制器 c a n 通信模 块 前端多种智能传感器和保护装置构成 各个监控子模块通过c a n 总线与主站 进行通讯 对皮带各个分布节点的传感器和保护开关的信号采集和发送 实现皮 带流程运行状态 流程相关设备启 停状态的实时监控 实时数据处理 运行报警 安全策略等多种功能 以达到系统分布式保护及控制效果 2 1 2 系统功能介绍 皮带运输监控系统主要功能包括井下皮带机的起停 运行过程的实时状态监 控 故障时的检测与相应的保护措施 主分站以及分站之间相互的语音通讯 具 体功能如下 1 皮带机的启动和停止 系统能够根据现场操作人员的指令给出具体信号 配合调速设备完成皮带机 正常启动 停止 异常状态急停动作 系统具有单机调试和联机运行两种工作模 式 单机调试模式适用于皮带运输系统的调试 联机模式适用于煤矿正常生产运 行 此状态下 能够与相配套的其他设备正常联机运行 2 实时运行状态监控 系统能够实时监测皮带机运行的各项参数和电机的运行参数 并能够精确控 制皮带机的运行状态和运行速度 保证皮带运输系统的安全高效运行 3 故障检测及保护 系统能够对皮带运行过程中发生的故障发出报警 并及时根据相应的故障做 出安全保护措旋 避免生产事故的发生 保证煤矿生产安全运行 4 语音通讯功能 系统能够满足地面主站与井下从站 井下分站与分站之问的实时语音通讯要 求 提高了煤矿监控系统的生命力及煤矿安全生产自动化水平 2 2 基于a r m 的嵌入式处理器 3 c 2 4 4 0 a a r m 处理器作为整个嵌入式系统的核心单元 它是一种类似单片机的控制 辅助系统运行的硬件设备 随着芯片不断的更新换代 嵌入式处理器的主频也有 了很大程度的提升 通常主频均可达到4 0 0 m h z 以上 多核处理器平台也随之在 嵌入式领域中广泛的得到推广和应用 但目前3 2 位微处理器是嵌入式开发系统的 主流 同时也是必将是未来嵌入式技术的发展方向 尽管现在低端嵌入式系统中 仍然大量使用m c s 5 1 系列单片机 但随着a r m 系列微处理器的不断发展使其性 价比不断提升 将改变这种状况 7 河北工程大学硕士学位论文 a r m 微处理器的特点主要有 1 体积小 功耗微小 成本低廉 性能高 2 具备两种指令集格式a r m t h u m b 兼容8 位和1 6 位指令 3 采用五级 流水线模式 执行速度快 适合对控制器性能要求高及实时性高的要求 4 采 用冯 诺伊曼体系式结构 运行效率极高 5 具有固定的指令长度 3 c 2 4 4 0 a 处理器f 2 8 2 9 是三星公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器 内核基于 a r m v 6 指令集构架 采用2 8 9 f p g a 封装 内核a r m 9 2 0 t 主频高达4 0 0 m h z 以 上 寻址空间可达1 g b 其中a r m 9 2 0 t 包含两个内部协处理器 c p l 4 和c p l 5 c p l 4 用于嵌入式整体系统的调试控制 c p l5 用于存储系统的控制及测试控制 内部结构如图2 2 所示 囝 厂 习1 2 c 胃鱼l 昌目 兽三lil 苫罡 需要 吕言 粤呈 基l i 1 e 羽 ll e i 3 c 2 4 4 0 a 芯片在其内部集成了大量的资源 具体如下 1 1 2 v 内核 1 8 v 2 5 v 3 3 v 存储器 1 6 k b 指令 i c a l l e 1 6 k b 数据 c a c h e d c a h e 2 内置外部存储器控制器 s d r a m 控制盒片选逻辑 8 第二章总体设计 3 集成专用d m a 的l c d 控制器 4 四路具有外部请求引脚的d m a 控制器 5 三路u r a t i r d a l 0 6 4 一b y t et xf i f o 6 4 b y t er xf i f o 两路s p 6 一个多主支持i i c 总线 一个i i s 音频解码器总线接口 7 s d 主接口1 0 版本 兼容2 1 1 版m m c 接口 8 两路u s b 主机控制和一路u s b 期问控制 9 四路p w m 定时器 一路内部定时器和看门狗定时器 1 0 1 3 0 个通用i o 和2 4 个外部中断源 11 具有日历功能的r t c 1 2 芯片内置p l l 片上时钟发生器 1 3 8 通道1 0 位a d c 1 4 指令缓存 数据缓存 写缓存和物理地址t a g r a m 降低了对主存储 器带宽和性能的影响 15 电源控制 标准 慢速 休眠 掉电 2 3c a n 总线研究 控制器局域网c a n c o n t r o l l e ra r e an e t 是一种串行通讯网络 支持实时控 制和分布式控制 3 0 1 2 0 世纪8 0 年代德国b o s c h 公司为车辆的监测和控制设计 后逐渐应用到其他工业控制中 从高速网络到低成本的多线网络领域等控制领域 均有涉及 目前 c a n 总线已经被i s o t c 2 2 技术委员会正式标定为标号为 i s 0 1 1 9 8 9 的国际标准 2 3 1c a n 总线的技术特点 c a n 总线作为国际标准的工业现场总线之一 由于采用了许多新技术及独特 的设计 具有传输可靠 实时性强 系统结构简单优点 其主要特 占1 3 1 3 2 1 c a n 为多主方式工作 不分主从 总总线上的任何子节点均可以在任意 时刻发送消息 无需任何节点信息 2 c a n 采用非破坏性仲裁技术 这样就可以通过设置各个不同的优先等级 避免冲突 其原理就是在多个节点同一时刻发送消息时 优先级低的节点会暂停 发送 保证优先级高的节点优先发送 这样就可以节省了仲裁冲突时间 避免出 现负载很重导致系统瘫痪的情况 3 c a n 采用短帧结构模式 其每一帧的字节数为8 个 传输时间短 重新 发时间短 9 河北工程大学硕士学位论文 4 c a n 总线可以实现点对点 一点对多点 及全局广播等几种方式传送数 据 只需设置报文滤波 无需专门的调度 5 c a n 具有c r c 校验 总线检测 位填充及其报文格式检查等多种措施 数据出错率极低 当c a n 总线中某一节点发生严重错误时 具有自动关闭总线的 功能 避免影响总线上其他节点操作 6 c a n 的通信距离最远可达l o k m 速率为5 k b p s 时 最高通信速率可 达1 m b p s 此时通信距离最远为4 0 米 7 总线上的节点个数与驱动电路有着紧密关系 根据现有的驱动电路 目 前可以达到1 1 0 个左右 其中一般而言 标准帧的报文标识符个数可以达到1 1 个 扩展帧报文标识符的个数则没有具体的限制 8 c a n 总线所采用的传输介质无特别的要求 可以为双绞线 同轴电缆 和光纤 易构成用户 2 3 2c a n 总线分层结构 基于提高设计的透明性和灵活性目的 c a n 总线遵循i s o o s i 标准模型 遵循i s o o s i 标准模型 结构有两层分别是数据链路层和物理层 其中数据链路 层有分为两层 一是辑链子层l l c 二是媒体访问控制子层m a c 如图2 3 所示 图2 3c a n 总线分层结构图 f i g 2 3c a n b u sd e l a m i n a t i o nd i a g r a m 1 0 第二章总体设计 根据c a n 技术规范协议中的内容 数据链路子层中的l l c 的服务称为目标 层 而它的m a c 子层的功能则重新定义成传输层 数据链路层中的l c c 层能够 进行报文的滤波 数据超载通知和数据恢复管理 数据链路层中的m a c 子层能够 进行协议规则的传送 也就是对帧结构进行控制 仲裁 以及错误的标定和对故 障的判断 物理层所要实现的功能则是是对全部相关的电气特性中不同的节点间 相互传送位 2 3 3c a n 通信协议 c a n 通信协议是一个基于报文而不是基于站点地址的协议 当总线中一个节 点传输数据时 其他节点均可以作为接受方 它们可以通过i d 标示来作出对总线 上传送数据的相应处理 且当数据被正确接受后 接收节点才会发出应答响应 c a n 协议规定了四种不同类型的帧来进行表示和控制 数据帧 远程帧 出错帧 和超载帧 1 数据帧由七个不同的位场构成 即帧起始 仲裁场 控制场 数据场 c r c 场 应答场和帧结束 数据长度可为0 c a n 技术规范2 0 b 数据帧的组成如 图2 4 所示 t w l l 工i 口j1 m r yr f w l l7i i 或超载帧 j 一 仲裁场控制扬数据场场帧结束 帧起始 图2 4 数据帧格式 场 根据技术规范内容 中分为两种帧格式 第一种是长度为1 l 位的并且带有标识符的标准帧 另一种则是长度为2 9 位并且带有标识符的扩展帧 标准数据帧以起始帧位开始 在后面的是是仲裁字段 它是由1 1 个识别位 和1 个远程发送请求位组成的长度为1 2 位的字段 紧接着仲裁字段的是控制字段 共计有六个位 数据字段之后则为循环冗余校验字段 用于报文的检测和错误的 传输 位于最后的是确认字段 由两个位组成 作用是用于确认帧收到是否有误 标准和扩展格式下的数据帧结构分别如图2 5 图所示 河北工程大学硕士学位论文 v 尊敬掌霰拇鹾享麓数辫享段c r c 字段 糍舔裳 6 一l 一一 b 象 菱萎 釜 一 一 5费 嚣笔 j 砖 蔷 产 e 譬 墨舅l c 建c i 星 拦凸oou o ll li ll l 0 ll lll l ll ii ii il i ii il i t 小 1 1 1 h i 1 1 一瓤泌苻 然 攫支鎏鎏 皇 釜 矗 帮精于整送 接竣媛羚箨枣 群镰哥嫒挎嚣书 图2 5 标准数据帧格式 f i g 2 5n o r m a ld a t af l a m ef o r m a t 3 2 一 u t 一一 一 一7 尊虢字袭 夔弱字段 嚣漤譬段 c r c 享袭 镞彗寨 蒜 蓥 1 4 1 一 3 0 一雾 稿矗 l 弱 晦c c r c i耋羹 ro 一 i 筐垦星 嚣 出毪 i l l l l 1 im l l nk i 1 i i l i n孙悻1 1 1神 热辩 一辣翟餐 一扩箍拇鬣嚣 蓉建 1 掇交瓣一 o 霪 强 蓉 莲 毒赣予2 逡 凌凌淤 蒸每 一 拳翁母程矜蒸翠 图2 6 扩展帧数据格式 f i g 2 6p a t u l o u sd a t af r a m ef o r m a t 2 远程帧 远程帧是由六个不同位场组成 包括帧起始 仲裁场 控制场 c r c 场 应 答场和帧结束 远程帧和数据帧的结构基本相同 其r t r 位为隐性位 且不存在 数据场 远程帧组成如图2 7 所示 帧懿始a c k 场 图2 7 远程帧数据格式 f i g 2 7l o n g r a n g ed a t af l a m ef o r m a t 3 出错帧 出错帧是由两个不同位场组成 第一个是由来自各站的错误标识迭加而得 后随的第二个场是出错界定符 包含八个隐性位 如图2 8 所示 1 2 第二章总体设计 1 潮碍嚣簪 燃l 口工 鼍 羲超载帧 i v 锆黼叫 一l 一簋塾毒荣盔釜柚麟毽兰 j 鑫篓 鞋黼稿 0 媒 j k 图2 8 错误帧数据格式 f i g 2 8f a l s ed a t af r a m ef o r m a t 错误标志分两种形式 激活错误标志 a c t i v ee r r o rf l a g 激活错误标志是由六个连续的显性位组 成 认可错误标志 p a s s i v ee r r o rf l a g 认可错误标志由六个连续的隐性位组 成 除非有被来自其它节点显性位冲掉 4 超载帧 超载帧由两个位场组成 超载标志和超载界定符 如图2 9 所示 发送超载标 志的超载条件有两种情形 一种是要求延迟下一个数据帧或远程帧 另一种是在 间隙场检测到显性位 其中超载标志由六个显性位组成 超载界定符由八个隐性 位组成 蟛砉寥袭一超载蠛 一 鲼闯窒僻 趣载器定蒋 藏越载麟 镰误器定簿 卜越黼 一趣载褥意蘸翔 一趣载界定褥 母 图2 9 超载帧数据格式 f i g 2 9o v e r w e i 曲t e dd a t af r a m ef o r m a t 1 3 河北工程大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 本监控系统硬件主要包含四部分 检测单元设计 c a n 通讯接口设计 语音 通讯模块设计和皮带机调速单元设计 其中皮带机调速采用的是模糊控制算法 使皮带的运行速度尽量稳定在设置的速度 且一旦超出设定的最大值自动连锁停 机保护 3 1 检测保护单元选型 检测单元用于实时监测皮带运输系统的运行状态 主要由行程开关和传感器 构成 是监控系统的最底层 传感器的灵敏度 可靠性和易安装是选型的重要参 考因素 直接决定这是否能够实现系统的保护功能 在皮带监控系统中占着十分 重要的地位 3 1 1 皮带速度传感器 皮带运行速度采用g s 4 a 型速度传感器 该传感器由可跟随皮带转动的滚 筒 磁钢 速度检测变换器 安装支架等部分组成 工作电压 d c l 2 v 工作电 流 f r 时 此时运行速度正常 无信号输出 当f c t 口a a 日 口c m s y n c h r o n o u sm a c h i n e 图4 6 电机本体模块仿真框图 u n i v er s a lb r i d g e l 图4 7 逆变器模块仿真框图 f i g 4 6m o t o rm o d u l es i m u l a t i o nd i