朱天亮
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266000
摘要：近年来，为满足矿用自移设备列车同步交叉迈步、控制单元多、实时性要求高等特点，实现综采工作面顺槽运输作业成套化、系统化、自动化，设计了基于CAN现场总线的矿用自移设备列车控制系统。该系统可以实时分布控制各列车单元，实时完成控制指令和对执行机构的控制，满足矿用自移设备列车的列车自移、迈步、管缆随动、行走纠偏等功能，同时监测系统的运行状态。另外，对控制器进行了系统设计和硬件设计，并且定义了设备列车各控制单元的CAN通信协议，完成各个单元的通信内容定义。试验结果表明，该控制系统运行安全稳定，满足自移设备列车的控制要求。
关键词：CAN总线；矿用自移设备；列车控制系统；设计
引言
矿用液压支架是煤矿开采设备中的核心支撑设备，保证其自动化调整及操作，提高设备的作业效率，成为当前企业重点考虑方向。当前，液压支架中普遍安装了控制系统，但由于井下环境的恶劣性，易受外部较大干扰信号影响，导致部分企业采用的控制系统使用了国外进口系统，在设备购买、维护等方面具有较高的费用。当前的液压支架控制系统中电缆暴露在井下环境中，存在线路布局复杂，线路磨损程度较大，系统的整体自动化、智能化程度相对较低。针对此问题，有必要对液压支架的控制系统进行升级设计。
1控制器设计
设备列车控制器包括硬件系统和软件系统。采用嵌入式系统分层结构的设计思想，分别对硬件系统和软件系统进行设计，便于硬软件工作的开展与衔接。硬件系统包括嵌入式微控制器、CAN功能部件及油缸位移采样、推移和升降驱动电路。其中，嵌入式微控制器为系统的控制核心和运算核心;功能部件包括CAN功能部件和其他功能部件，这些功能部件通过外围电路与外界交互;油缸位移采样电路完成对油缸活塞杆伸出长度的检测并进行A/D转换;油缸推移、升降电路完成对推移油缸、升降油缸的驱动控制，通过驱动油缸的推移和升降，从而实现设备列车的整体迈步平移和各平板车的升降。软件系统包括底层实时操作系统、CAN驱动库和其他驱动库(如模数转换、中断等)。应用层软件包括油缸位移采样子程序和油缸推移、升降子程序。由于在油缸中加入了位移控制器，在油缸推移和升降过程中，需要对油缸位移进行反馈比较，从而实现油缸推移和升降的闭环控制，进一步实现自移设备列车的整体前移、升降同步控制。设备列车平板车控制器采用嵌入式微控制器作为核心控制器。该控制器的优点是芯片内部集成了很多功能，如ＲOM/EPＲOM、ＲAM、总线、总线逻辑、定时器/计数器、串行口、脉宽调制输出口等。油缸位移等模拟量输入信号(如1～5V电压、4～20mA电流等)通过A/D转换和信号调理后接入中央控制器，模拟量输出通过D/A转换后接电磁阀以控制油缸的升降速度。阵列键盘用于系统参数设置，其通过键盘芯片后经片内串行总线SPI直接和微控制器完成数据交换。控制按键用于控制设备列车的推移、升降，其直接接入微控制器的GPIO。开关量输出通过将GPIO的输出信号进行调理放大后驱动继电器，将开关量输出信号给电动机控制系统。另外，硬件中还有LCD显示屏驱动和显示内容控制、以太网接口等。CAN硬件电路有2种方案:一种是使用带片内CAN控制器的微控制器，这种方法电路图紧凑，便于制作电路板，同时减少硬件故障;另外一种是使用独立的CAN控制器，例如SJA1000、MCP2510等。从减少成本和降低故障率的角度考虑，本方案中使用带CAN控制器的AＲM芯片，选用PCA82C250收发器实现控制器和物理传输线路之间的连接转换。另外，本系统设计了两路CAN通信网络。一路为矿用设备列车控制系统牵引车和各平板车之间通信;另一路接入井下工业自动化CAN网络，为井下自动化系统提高网络接口，便于信息的共享与连通。这样设计的优点是本地CAN网络和井下系统CAN网络分别建立，防止不同CAN网络之间的干扰信息传入，减少CAN网络故障，降低数据传输丢包率。同时，若某一路CAN网络出现故障时，可以通过简单的设置实现两路CAN网络的切换，便于快速恢复网络，实现网络冗余。
2电控系统分系统设计
2.1CPU微控器选型设计
CUP微控器是整个液压支架控制系统的核心，主要负责对采集数据的分析、处理、判断等操作，其运行性能的高效性直接影响整个控制系统的控制精度。为此，选用了市场上成熟的STM32F1型微控器。该控制器采用了32位的数据总线，72MHz的超大容量，配备了120个的I/O管脚，能满足液压支架整套控制系统的I/O接口需求。同时，设计了16路的数字信号转换接口，可同时接收16种外部信号输入及信号的运算处理。另外，控制器上配备有多个SPI端口、异步通讯接口、CAN总线端口等，存在空间相对较大，能同时满足不同通讯方式对控制器信号输入的需求，另外，控制器的静态随机存储量也达到了64kB。该CPU微控器性能稳定可靠，其价格便宜，具有较高的数据接收及信号处理能力，已在煤矿领域的多种设备上进行了成功应用，能完全满足液压支架控制系统运行过程中的数据分析处理需求。
2.2电源控制电路设计
液压支架控制系统中，多个元器件采用了不同大小的电压值，包括了3.3V、5V、12V等电压平台，而外部的电源模块输入的电压平台为24V，无法直接用于该些元器件，为此，对电源控制电路进行了设计。在电源控制电路中，安装了EC1极性电容和C5电容，主要负责对输入的电压进行滤波处理和高通滤波，经过处理后，再将电源值输入至电源模块中。其中，该控制电路中，采用了XZR05型电源转换模块其额定功率为6W，能快速将高电压值转换为所需的5V电压，具有防金属屏蔽及高抗干扰性，针对电路中出现的过温、过流等情况时，能实现较好的电流保护。另外，针对DC5V转3.3V问题，则采用了LM1085型直流转换模块，通过设计的220μF电容及极性电容，实现对转换信号的滤波作用。
2.3模拟量采集电路设计
为实现对液压支架工作过程的顶板压力及千斤顶位移模拟量信号的检测，选用了PRA压力传感器和PR11型位移传感器。此两种传感器的工作电压为DC5V，可直接运用前文的电源控制电路。而传感器检测到的信号则需通过专门的模拟量采集电路进行处理，输出微处理器能识别的电信号。在此模拟量采集电路设计中，采用了LM358的运算放大器和多个电容元件，检测信号通过电路的左端输入，经过电容的滤波及模拟量信号放大，实现检测信号的放大处理。同时，设计了人76电阻和R172电阻，可将放大后的电压信号进行分压，实现信号在可识别范围内的分压转换。
结语
结合全数字化监控系统现有网络结构，工业以太网+总线的方式，设计了基于CAN总线的矿用传感器远程在线升级功能，制定了CAN总线应用层通信协议。利用以太网网络节点上的矿用分站，使得矿用传感器的固件更新更加高效方便，降低设备维护成本，提高了系统的稳定性。通过将处理器片上FLASH合理分区及固件程序数据分块传输等方式，实现了即使升级出现错误时也能保证传感器的稳定运行。实验测试证明，该技术方案具有较好的可行性、稳定性和可靠性，可以广泛地应用于CAN总线式嵌入式固件程序升级。
参考文献
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