基于ARM的矿用带式运输机控制器的设计

周建中，陈代伟，王 雷，顾寄南，徐军霞，杨 治，姬 伟，谢娟娟

ZHUO Jian-zhong1, CHEN Dai-wei1, WANG Lei1, GU Ji-nan2, XU Jun-xia2, YANG Zhi2,JI Wei2, XIE Juan-juan2

（1. 镇江中煤电子有限公司，镇江 212016；2. 江苏大学，镇江 212013）

0 引言

带式输送机在矿井地面运输系统、矿山的井下巷道、选煤厂采矿场中被广泛应用，系统的运行效率与安全性直接影响企业的经济效益。传统的胶带机综合保护器多采用以可编程控制器、单片机、模拟电路和继电器构成的保护装置作为核心的控制装置，这种控制装置具备综合保护、集中控制等功能，运行安全可靠、安装方便。但仅仅实现对现场设备的控制无法满足更高的需求，而对现场设备运行状况的实时响应才具备更多的实际意义。本文提出了一套基于ARM的带式输送机监控系统，该系统实现打滑、超温洒水、堆煤、急停、跑偏、撕裂等保护，通过ARM的快速处理能力，可实现性能完善且复杂的保护方式，大大提高了生产效率的同时，控制器具有强大的网络能力和历史数据记录功能，支持开放式的通讯协议，是一种安全可靠的监控装置。

1 带式输送机控制器的结构设计

井下煤矿皮带机监测系统组成如图1所示。其下位机采用Philips公司推出的LPC2132CPU微处理器为运算核心的ARM智能控制系统，主要负责采集煤矿井下皮带机的开停状态、皮带运输机的堆煤煤位信号、皮带运输机的打滑及超速速度信号、皮带运输机巷道的烟雾浓度信号、皮带运输机主滚筒的温度信号、皮带运输机的皮带跑偏信号、皮带运输机的张紧度信号等参数，并对采集的数据进行分析处理，自动采取相应的措施（断开输送机的控制电路、超温洒水、对皮带进行张紧等保护）及发送相应的控制信号给各种保护装置。控制器与外部设备交换数据主要由芯片的GPIO口进行脉冲和高低电平的发送和接收，实现声光报警、超温洒水、电机开停、张紧装置的控制；系统外接采用标准的RS-485总线通讯接口，通信协议采用MODBUS标准通信协议，上位机只需具有相同的通讯接口并采用相同的通信协议就可以与该控制器进行通信，实现数据共享和远程监控。

图1 系统总体结构图

智能控制模块主要是以LPC2132微处理器为运算核心，含有模拟量、数字量采集，传输、存储、声光报警、控制、界面显示等功能模块，LPC2132是支持仿真和跟踪的32位ARM7TDM1-STM核的CPU，其处理速度和运算能力都满足控制要求，并带有4个通信接口，具有缓冲功能，2个32位定时器，1个10位8路AD转换器共包含16个模拟输入，每个通道转换时间低至2.44us，一个10位D/A转换器，可提供不同的模拟输出，47个5V的GPIO口。64Kb的嵌入式高速FLASH存储器，128位元宽度的存储器界面和独特的加速结构使32位元代码能够在最大时钟速度下运行。较小的封装和较低的功耗使得LPC2132特别适用于皮带机控制系统。以LPC2132为核心的的智能控制器除具有以上性能以外，还具有丰富的资源和通讯设备的接口，能够实现与PC机通讯，完成系统运行程序的仿真调试、固化及进行实时状态监测与数据显示。

2 控制器的外围硬件电路

2.1 差动放大器放大倍数的计算

本系统中的放大电路采用LM324N加上外部电路作为运放。放大电路如图2所示。

图2 放大电路

经计算从电桥输出的电压差值在100mV之内，而ADC的标准电压在0～5V间，故采用一级放大电路即可，放大倍数在40倍左右。

2.2 通信接口电路设计

LPC2132具有符合16C550工业标准通用串行收发器（UART）接口，通过RS485串行总线发送信号，实现了上位机与下位机之间的实时通信，它的通信接口电路如图2所示，ARM通讯引脚发出的电平信号经过光耦隔离后，再通过MAX483芯片将该信号转换为485总线的电平。通讯地址设置为1!250，通讯速率1200!115200kb/s可设，采用国际标准的MODBUS协议。为防止数据在通讯传输中失真的情况，在接口电路中加入了光耦隔离。通信接口电路设计如图3所示。

图3 通信接口电路

2.3 模拟信号调理电路设计

皮带输送机的速度传感器、温度传感器、张力传感器等出来的模拟信号经过AD采样之后送入ARM进行数据处理。但是上述传感器输出的模拟信号为固定的4～20mA的电流信号，需要经过专门的调理电路将电流信号转变为电压信号，以便于AD进行采样。然后将AD输出的数字信号送给ARM进行处理。

如图4所示：A1为传感器出来的模拟信号，经过调理电路输出为数字信号即A0的值。其中TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值，电压范围大完全满足我们的需求。HCNR201是光电耦合器，在此检测系统中，由于实际工作环境比较恶劣，采用光电耦合器来实现信号的传输，抑制干扰信号由采集信道混入控制设备，从而保证控制系统正常稳定的工作。由于光电耦合器中的发光二极管作为为电流驱动器件，因而应以电流环路的形式进行传送，而且电流环路是低阻抗电路，噪声对其影响的能力相对较弱，因此改善了电路的抗干扰能力。有时干扰噪声虽有较大的电压幅度，但其能量小，所以只能形成微弱的电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，只有在通过一定强度的电流时才能发光，因此，即使有很高电压幅值的干扰，也会因其所形成的电流大小而被抑制掉。能减掉不少的干扰，对系统的稳定性起了很大的作用。

图4 模拟信号调理电路

2.4 开关量调理电路设计

堆煤、急停、跑偏、撕裂都是开关量，且辅助节点均为无源干节点的开关动作会干扰系统的正常工作，需要对开关量进行调理，图5为本系统采用的开关量调理电路。EXIN1为开关量的输入端，开关量经过光耦隔离后送人ARM处理器的I/O口。如图5示PC817为处理信号为数字信号的单通道光耦。开关量由EXIN1输入经过光耦之后由USLRCK输出。而PC817正好处理数字量，符合本开关量调理电路的设计。

3 系统的软件设计

软件部分的主要采用嵌入式C语言，在ADS1.2编译环境下运行，结构清晰，方便升级和移植。系统工作时首先进行初始化等准备工作，然后调制谐波，进行数据采集，信号经过硬件放大滤波处理后，送入ARM进行数字信号处理。整个系统程序的设计包括主程序和子程序两个部分。主程序包括：循环采集、数据处理等工作。子程序包括：参数设置程序、中断服务程序、延时程序等，各个子程序的功能在主程序中得到实现。软件流程图如图3所示。

图5 开关量调理电路

图6 系统的软件流程图

4 结束语

结合计算机控制技术、监控技术、故障检测技术、通信技术，开发了一种矿用带式输送机过程控制系统。该系统实现打滑、超温洒水、堆煤、急停、跑偏、撕裂等报警与保护，避免了压煤、断带等情况的发生。并且和传统的监测装置和基于单片机的装置相比，该系统降低了系统功耗，加快了运行速度；系统工作灵活、安全可靠，具有故障监测、保护、语音声光报警、设备启动预警、等功能；在设计时预留有接口，方便系统升级。同时，该研究成果对其他企业也有良好的参照价值，具有重要的研究意义和良好的应用前景。

[1]周立功公司.PHILIPS单片16/32位微控制器-LPC2141/42/44/46/48数据手册[EB/OL].http://www.zlgmcu.com,2009.

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