两级CAN总线煤矿皮带机保护器

徐 刚, 伍 龙, 苗 磊

(淮南师范学院 机械与电气工程学院， 安徽 淮南 232038)

0 引 言

煤矿皮带机保护器是用于煤矿煤炭运输过程中对皮带机跑偏、打滑、撕裂、堵料、料流、超温、粉尘等信息进行监测，判断是否出现故障或危险，并及时报警或停机操作起到保护作用[1]。与传统皮带机保护器相比，不仅提供多种传感器接口电路，兼容多种第三方传感器信号输入；所设计的两级CAN总线通信网络，CAN总线主网主要用于组建远程分布式皮带机多参量监控网络，CAN总线副网主要用于与上位机或监控终端组网，实现数据与操控命令交互功能。

1 系统总体方案设计

根据目前煤矿皮带机运行过程中所需保护的功能要求，所设计的总体系统框图如图1所示。

图中共8路开关信号采集接口、8路模拟电压信号采集接口和4路频率信号采集接口，用于兼容第三方皮带机跑偏、温度、速度、张力、撕裂、料流、煤位、粉尘传感器等数据。CAN总线副网用于组建分布式监测网络，CAN总线主网用于数据与操控命令的互传。采用液晶屏实时显示皮带机各参量状态信息，使用红外遥控器设置相关参数，如传感器接口设定、参数标定、组网配置等系统参量[2]。

图1 总体系统框图

2 主要硬件设计

2.1 微处理器

系统采用STM32F103ZET6单片机作为主控制器，单片机基于Cortex-M3内核的32位微处理器，价格便宜，提供的硬件资源非常丰富。具有64 kB的SRAM，512 kB的FLASH存储空间；8个定时器，频率脉冲捕捉/比较功能丰富，集成多种通信接口；内置3个12位ADC转换采样模块，其转换速率可达1 MHz，实时性高；拥有112个通用IO口[3]，使用方便，简化了硬件电路设计。其工作频率可倍频至72 MHz下工作，运行速度快。工作电压3.3 V，工作温度范围-40～+85 ℃。采用ST官方提供的一整套库函数，减轻软件开发难度与周期，因此，满足本设备设计需要。

主要硬件接口电路如图2所示。

2.2 开关信号采样

图2(A)为皮带机保护器开关信号传感器采样电路，经8路模拟电子开关CD4052进行顺序切换通道，将8路开关信号依次循环送出，并接电容滤除信号毛刺，再送给由三极管S8050和光电隔离芯片TLP521-4构成的整形隔离电路，供给单片机IO口采集。本电路只需一路整形隔离成本，完成16路开关信号的数字隔离采集，提高了开关信号采集的质量，也降低了硬件成本。

2.3 频率信号采样

图2(B)为皮带机保护器频率信号传感器采样电路，频率信号通常为标准200～1 000 Hz方波信号，在工况中，信号会受到一定的干扰和衰减，通过所设计一个由三极管构成的整形电路，提高频率信号跳变沿质量。为了提高频率测量精度，采用测周法测量频率值，配置STM32F407VET6的捕捉功能模块,对频率信号的跳变沿进行捕捉，通过每两次的捕捉差值来计算流量信号的周期，折算出其实际对应的物理参量值，具有捕捉速度快、精度高等优点。

2.4 模拟信号采样

图2(C)为皮带机保护器模拟信号传感器采样电路，经8路模拟电子开关CD4052进行顺序切换通道，将各路模拟信号依次通过电感电容滤波，然后接一级电压跟随器输出，提高模拟信号质量和带载能力，后送给12位串行AD芯片ADS7818转换为数字信号后，接入微处理的IIC接口进行数字采集。本电路只用一路AD数字成本，完成8路模拟信号的数字采集，不仅提高了模拟信号采集可靠性，而且降低了硬件成本。

2.5 遥控与显示

图2(D)为皮带机保护器遥控与显示电路，为了方便煤矿技术员的操作，本系统采用红外解码收发芯片BL9149/BL9148设计无线遥控电路，简化了红外通信编码协议，微处理器通过外部中断程序来识别对应IO口电平变化，得到键值，进行控制操作[4]。采用10寸液晶屏显示皮带机运行参数。

图2 主要硬件接口电路

2.6 CAN总线接口

图2(E)为系统设计的主副CAN通信隔离接口电路，主要是为了降低CAN总线通信负载压力，提高通信质量。CAN总线主网和副网均采用TJA1052T隔离收发器，主网完成各分站间的实时数据交互[5]，副网完成与上位机或监控平台之间的数据上传和操控交互。

2.7 系统供电

皮带机保护器的电源供电电路如图3所示。

图3 供电电路

采用分模块电源稳压供电，外部电源先串接自恢复保险丝，并接压敏电阻，起到过流保护和过压保护功能，经电感电容滤除噪声，接入共模电感起到抑制共模干扰，经TPS7350稳压芯片构成稳压电路来稳定输出5 V，并接电源指示灯指示供电状态。然后，分别经过4路TPS7330电源稳压模块输出4路DC3.3V，主要为微处理器、液晶屏、CAN通信电路、其他硬件电路供电。达到各电路分模块稳定供电需求。

3 模拟信号数据和频率信号数据处理----3σ准则

4 软件设计

系统主要完成的任务是各传感器的参数配置、采集滤波与动态显示，主副CAN总线通讯数据收发管理、历史报警信息保存、查询与保护动作响应等。程序设计采用模块化[7]，对传感器信号采集采用顺序调用执行，对红外遥控采用外部中断查询识别按键值，进行相应设置操作，对液晶屏显示采用定时器500 ms周期定时显示，并判断是否出现警情，如果出现，对警情状态进行保存，方便技术员查询维修。程序流程如图4所示。

图4 程序流程

5 结 语

煤矿皮带机保护器用于煤矿安全生产，能实时、准确、监测煤矿皮带机的运行状态。其所设计的多种传感器信号接口方便第三方传感器的选型，提高了兼容性；所设计数据处理算法能有效去除采集数据的粗大误差，提高了采样数据的可靠性，消除了误判，能够有效保证皮带机安全运行；设计的主副CAN总线接口实现了远距离超长皮带机的组网监控与数据命令互传。人机界面友好，方便煤矿技术员操作，能够满足目前煤矿安全生产对皮带机的保护要求。