基于LIN 总线的采煤机远程监控系统的设计与应用

林 飞

（潞安化工集团余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046100）

引言

近年来，远程监控技术兴起，在煤矿综采作业面得到了较为广泛的应用，取得了较好的应用效果，大大提高了作业人员安全和生产作业效率[1-2]。因此借鉴已有的远程监控系统，结合煤矿井下采掘作业环境，以某型号采煤机为研究对象，开展采煤机远程监控系统的设计与应用研究工作，对于推动整个综采工作面无人化工作具有重要的意义[3-4]。

1 LIN 总线技术特性

LIN 总线使用SCI/UART 协议，能够配合大多数微控制器使用，具有很好的通用性。单线连接时的LIN 总线的物力结构较为简单，传输距离较远，可达40 m 左右。在单主控制器配合多从机组结构中不需额外配置仲裁机制，在网络拓扑结构中，主节点控制访问物理线路，全部从节点均可接收命令并仅有一个做出响应。LIN 总线的编码方式为NRZ，同时具有I2C 和RS232的性能，数据传输速率为20 kbit/s。应用时可以选择奇偶校验和求和校验相结合的双重校验机制，具备自动检测故障节点的功能。为了适应不同场合通信任务的要求，具有应答帧报文的数据域长度可设置功能。LIN 总线通信从节点的自我同步机制无需另外增设晶振器件，结构调整灵活简便，添加或者删除从节点时，不需要改变从节点的软件配置和硬件结构。

2 系统总体设计

采煤机远程监控系统的设计基于LIN 总线通信技术完成，其总体结构如图1 所示，主要包括基于LIN 总线的采煤机控制键盘、远程通讯设备和人机交互界面等部分。采煤机控制键盘主要完成采煤机运行状态参数的采集工作，之后将采集得到的数据信息经LIN 总线传输至PLC 主机进行数据交换。远程通讯模块（A/B型）协同配合应用，确保煤炭巷道顺槽控制中心和综采工作面之间的双向通讯与数据共享。人机交互界面用于显示由综采工作面采集得到的采煤机工况信息，并实时显示数据或者视频图像[5-6]。

图1 采煤机远程监控系统结构组成

3 远程监控系统设计

3.1 硬件设计

3.1.1 采煤机控制键盘

采煤机控制键盘的设计基于LIN 总线展开，控制信息的采集和传输由LIN 总线完成，经过转换模块将控制信号转换为DP 总线信号，即可实现与PLC的数据通讯。控制键盘总共设置28 个按键，还有一个三位的数码管显示窗口。配套采煤机控制键盘设计了基于LIN 总线技术的8 位数字量采集模块DI和数字量输出模块DO。键盘内部的组成包括4 个DI 模块、1 个DO 模块、1 个三位可编程数码管显示模块、1 个DP-LIN 转换模块。控制信息由DI 模块采集之后经LIN 总线传输至DP-LIN 模块完成信号的转换，得到DP 总线信号，与PLC 进行数据交换。相反，PLC 将采煤机实施工艺参数信息传输至DP-LIN模块完成信号的转换，得到LIN 总线信号，经DO 模块输出到数码管显示。

3.1.2 数字量采集模块DI

数字量采集模块DI 采用微控制器和LIN 总线接口芯片相结合的形式，微控制器选用了飞思卡尔MC9S08EL32型8 位低成本高性能微处理器，其作用是控制LIN 总线通信和采煤机各电机的动作，内核型号为HCS08，支持多种操作模式，包括正常运行、主动后台、等待、停止等模式。LIN 总线接口芯片采用的是LIN 总线协议，具有很好的匹配性，依据LIN2.1/SAEJ2602 规范能够可靠地将控制器数据转换为LIN 总线信号。数字量采集模块单独设置1 个拨码开关，用于改变模块地址信息，以便提高系统模块的可操作性。

3.1.3 数字量输出模块DO

数字量输出模块DO 设计采用微控制器与LIN总线接口芯片相结合的形式，选择型号为MC9SO8EL32的微处理器，配置和功能与数字量采集模块DI 相同，选择型号为TJA1021TLIN 总线接口芯片。数字量输出模块DO 设计过程与原理与数字量采集模块DI 基本一致，仅在数字量输出接口配置中存在一定差异，此处不再赘述。

3.1.4 三位可编码数码管

三位可编程数码管工作时可以实时显示采煤机工艺参数，驱动使用数码管驱动及键盘控制芯片驱动相结合的形式，接收来自单片机的串行输出、时钟、加载信号，大大降低了单片机的输出引脚的配置工作量。选择型号为CH451的数码管驱动及键盘控制芯片，具有对数码管动态扫描驱动功能，同时，支持动态扫描极限范围的设置，具备高速四线串行口，译码模式有不译码方式或BCD 译码两种模式，可以提供up 监控功能，如上电复位和看门狗等。

3.1.5 远程通讯模块

采煤机远程通讯模块使用矿用隔爆兼本安型VDSL2 通讯模块，配置DSP 双核处理器，运行主频为400 MHz，具有较强的数据传输和处理能力，满足远程监控系统的通讯要求。工作过程中的电压为12 V，工作电流不超过500 mA，具有IP54 防护等级，传输距离高达500 m 以上，足以满足煤矿井上井下远距离数据信息的传送。同时VDSL2 通讯模块自带以太网通讯接口，具有很好的可扩展性，体积小、可靠性高，在煤矿通信设备中应用理想。

3.2 软件设计

3.2.1 数字量采集模块DI

数字量采集模块DI 主程序的工作流程如图2所示，开始运行即进入微控制器初始化处理，涉及时钟、输入/输出接口、中断等，之后设置一定的延时，开始数据无限循环采集过程。参考外部时钟和总线分频倍数，在外部振荡器的高频范围内完成时钟初始化；输入/输出接口初始化过程完成设备地址输入口、8 路数字量输入端口和输出口的定义，分别对应A 端口、C 端口和B 端口第五位；将复位接口配置成时钟等待模式，启用SLIC 模式并启用SLIC 中断标识，完成开中断功能。

图2 DI 主程序工作流程

3.2.2 数字量输出模块DO

数字量输出模块DO 主程序工作流程如图3 所示，运行程序开始即进入初始化程序，涉及时钟、输入/输出接口、LIN 接口控制器和中断等。初始化之后进行数码管功能的配置，如BCD 译码方式、关键盘开显示等。通过一定时间的延时即进入数字量输出无限循环程序。具体的初始化过程与数字量采集模块DI 基本一致，此处不再赘述。

图3 DO 主程序工作流程

4 采煤机监控界面设计

人机交互界面主要接收采煤机工艺参数并实时显示在液晶显示器中供监控人员观察，实现采煤机的远程监控功能，同时，监控人员也可以通过人机交互界面对井下采煤机发号施令，实现远程控制功能。如下页图4、图5 所示，给出了采煤机远程监控系统的登录界面和主控界面。监控人员需要输入自己的账号和密码，显示登录成功之后进入远程监控系统。打开远程监控系统主控界面，即可实时观察井下采煤机的工艺参数、工作电压、采煤机位置、行走方向等，供监控人员监视控制采煤机工作。

图4 系统登录界面

图5 系统主监控界面

5 应用效果评价

为了验证采煤机远程监控系统设计的合理性，将其应用于某煤炭企业服役中的采煤机中进行试运行，跟踪记录系统运行情况。应用结果表明，系统运行稳定可靠，实现了采煤机作业的远程监控功能，提高了煤炭采掘工作的安全性。统计结果显示，相较于传统采煤机操控模式，远程控制系统应用后，采煤机操作维护人员减少3～4 人，降低了近15%的运行维护成本，提高了近10%的采煤机利用率，预计为企业新增经济效益近200 万元/年，取得了很好的应用效果。