基于CAN总线带式输送机的监测系统及仿真优化

2019-01-17王晶晶

机械管理开发 2018年12期

王晶晶

（山西新元煤炭有限责任公司，山西寿阳 045400）

引言

带式输送机的广泛应用提升了矿井自动化生产水平，更为重要的是带式输送机监测系统已成为智能化矿井的一个重要构成部分。近年来，随着互联网、通信等技术的进步，其已成为集计算机、网络和智能传输于一体的智能监控系统[1]。为了实现对皮带速度、皮带跑偏、一氧化碳含量、烟雾浓度、煤堆、端头部满仓和惰轮温度的在线监测以及故障诊断等功能[2-6]，本文基于CAN总线技术，使用多个CAN集线器的多参数监控系统。以巷道温度为例进行实时监测，并利用PFautoCAN软件，验证该监测系统可靠性。

1 CAN总线监控系统特点和目标

1.1 CAN总线特点

其一，数据通信没有主从关系，任何节点都可以启动与任何其他节点的数据通信。通信顺序由每个节点信息的优先级顺序确定，并且高优先级节点信息在134μs通信；其二，当多个节点同时发起通信时，避免优先级的高优先级不会导致通信线路拥塞；其三，在通信速率小于5 kb/s的条件下，通信距离可达10 km；而在通信距离小于40 m的条件下，其通信速率可达到1 Mb/s；其四，CAN总线传输介质可以是双绞线，同轴电缆。CAN总线适用于大数据量的短距离通信或远距离小数据量，实时性要求较高，多主机多从机或每个节点用于同一领域。

1.2 基于CAN总线特点的监测系统设计目标

由于带式输送机运输量大，运输速度快，距离长且操作条件复杂，环境差。系统可靠性受环境影响较大，易受激励。根据带式输送机的实际运行工况，在分析现有监控系统急需完善的功能并结合CAN总线的特点，设定了监测系统的功能：一是通过读取传感器中的模拟量可以将数据准确的传输给监测系统。对于后续可能增加的外部功能，预留了安装接口，具有较好的适应性；二是计算机监控界面对传输的测量数据进行分析并实时显示，具有超限报警及故障检测功能；三是基于CAN集线器的使用增加了传输速度和通信距离，可实现对带式输送机运行工况中的多种参数进行监控；四是具有数据储存、备份功能。

2 系统方案设计

多参数信号采集、信号传输、数据分析处理构成了CAN总线的分布式多参数监控系统。

信号采集部分主要是通过传感器完成数据的收集，主要包括：皮带速度，皮带偏差，一氧化碳含量，烟雾浓度，煤堆等。考虑到带式输送机运输物料时的长距离，将多通道式CAN集线器安装在道路的集中端口处以完成多参数信号的收集。CAN子网设置在不同的位置和段中，CAN主网络即多路CAN集成器，与每段之间通过CAN集线器连接。

在信号传输部分中应用了双绞线电缆，为了达到抑制反射的目的，将120 Ω终端电阻设置在CAN总线的两个端部。

数据分析处理部分由单片机组成，完成对信号采集模块传输的数据进行处理，并在计算机监控界面上实时显示结果。

如下页图1所示为监测系统的总体结构，CAN子网络结构如下页图2所示。

2.1 系统硬件设计

为确保设备满足防爆、电气隔离及限流温度限制的要求，系统选用了MC9S08DZ60型微控制器、KDW127/12型矿用本电源芯片、收发器TJA1050和智能4通道网桥集线器CANHub-P4。为避免参数信号受到环境干扰，搭建了由光电耦合电路、可调电阻等元器件组成的抗干扰电路，利用CANH和CANL两者之间的差分传输来达到避免信号受到干扰的作用。抗干扰电路设计如下页图3所示。

图1 监测系统的总体结构图

图2 CAN子网络结构图

图3 抗干扰电路设计图

以矿井工作点温度为例，在系统中均由具有本质安全外部结构的装置采集其参数。其中，矿井工作点温度的采集选用GWD70型数字温度传感器，其基于热导原理和热催化原理，系统的硬件结构设计如图4所示。

图4 监测系统硬件结构图

图5 发送CAN报文流程

2.2 系统软件设计

1）初始化软件模块设计。须对CAN控制器内的寄存器进行初始化，以确保其CAN帧数据功能的顺利实现。首先，将处于置位模式寄存器中的第0位修改为复位模式；其次，设置时钟分频寄存器、CAN波特率、验收滤波器、总线输出模式等；最后，对处于复位模式的寄存器第0位进行清除。节点微控制器MC9S08DZ60可从复位模式中退出并进入正常工作状态。

2）节点发送CAN报文软件设计。只有保证MC9S08DZ60内部CAN控制器的初始化完成后，才能将CAN消息从每个监控节点发送。发送流程如图5所示，通过读取状态寄存器以判断发送缓冲区是否处于发送状态。当发送缓冲区可用时，数据帧信息被写入发送缓冲区，并在前一个任务发送完成后加载数据到发送缓冲区，触发发送请求功能，将CAN消息传输到总线。

3）点接收CAN报文软件设计。MC9S08DZ60型微控制器对总线接收到的CAN信息进行数据分析、处理。从CAN总线接收到消息后，CAN控制器通过接收过滤器对其进行比较，通过后将消息保存到FIFO并设置状态寄存器。通过判断接收缓冲区不处于空闲状态，从而读取接收缓冲区来获取消息，进而释放缓冲区。一个报文接收完成后，下一个读取状态寄存器的操作流程将继续进行，其过程如下页图6所示。

3 系统仿真实验

3.1 仿真实验方案

以矿井工作点温度为例，并将其作为研究对象，利用PFautoCAN软件进行仿真，验证其监测系统的可靠性和实用性。该仿真软件由数据库、测量和仿真三个模块组成。依据本监测系统的结构，对矿井工作点温度所需要的节点数量进行设置，编制了相关的CAN协议，仿真实验方案如下页图7所示。

图6 接收CAN报文流程

3.2 仿真实验

在仿真实验过程中，多参数监测模块分为多个区域，每个区域都是一个CAN子网，不同的CAN子网与CAN总线之间由多通道CAN集线器连通。供电状态下，CAN总线峰值负载率为15.3%，而后逐渐趋于平稳，上下波动范围在3.1%左右，完全适合工业用途的使用。鉴于CAN子网络结构的一致性，选取温度监测节点作为实验对象。监控一定时间后，通过改变外界环境变量（如靠近热源等方式）测试其响应时间，结果如图8所示。从图8中可知，该监测系统能够较好地对外部环境温度变化作出反应，具有快速的响应实时性，说明本监测系统的可靠性高。