绞车提升信号系统优化及应用

王 敏

(山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司 东曲煤矿，山西 古交 030200)

绞车是煤矿井下运输系统的一部分,用于井上与井下或各工作面之间运送人或物料,是保障煤矿安全生产和煤矿生产效率的关键环节[1]。山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司东曲煤矿副井提升系统采用JKMD-5.7×4落地式多绳摩擦式提升机,在实际运行中存在如下问题:①通讯抗干扰能力差,采用的RS485通讯在井下狭小有限空间内易受煤壁、支护金属材料屏蔽以及大功率电力电子器件电磁干扰,会出现通讯突然中断现象;②远距离传输能力差,且远距离传输时存在音质差、失真现象;③信号传输实时性差,为单主从响应通信,信号应答存在滞后现象。本文针对原绞车提升信号系统存在的问题,对其进行优化设计,满足绞车实际工况使用要求,达到安全、稳定、高效运行的目的。

绞车提升信号系统优化方案需满足以下3点要求:①抗干扰能力强,稳定性、可靠性高,当某一通讯节点发生错误时能使其自动脱离而不影响其他节点通讯;②远距离传输能力强,通讯距离需大于1 500 m;③通讯实时性高,语音信号清晰、音质好、不失真。图1为绞车提升信号系统优化方案框图,利用CAN总线通讯将布置的绞车房信号站、井口信号站和水平信号站组成CAN总线通讯局域网[2,3],将绞车提升信号系统数据发送至STM32控制板进行数据处理、分析和控制,同时将数据发送至人机交互平台进行显示。

图1 绞车提升信号系统优化方案框图

绞车房信号站位于绞车房内,完成绞车工作方式信号(提人信号、提物信号、检修信号)、工作执行信号(上行、下行、慢上、慢下、急停、停车)的显示、记录并执行紧急制动指令。井口信号站位于主副立井井口,完成绞车控制信号的检测、记录、存储和中转发送,同时可进行语音报警。水平信号站位于主副井各水平高度的信号台,根据主副井实际情况并综合考虑通讯距离决定水平信号站个数,完成控制信号的发送、记录、存储及显示。

将原绞车提升信号系统中的RS485通讯替换为CAN总线通讯,其硬件电路如图2所示,选用TJA1050芯片进行电平转换,以满足CAN总线电平连接STM32电平的要求。

图2 CAN总线通讯电路

为达到远距离输出的目的,根据通讯传输距离,终端阻值(图2中的R43)在118 Ω～130 Ω之间选择;同时选用抗干扰能力强的CAN总线通讯专用双屏蔽层的双绞线,应用总线型拓扑结构的差分信号传输模式。

为达到抗电磁干扰的目的,在通讯线两端布置EPCOS-B82793双向滤波器,以消除CAN总线通讯的共模电磁干扰[4,5]。选用ESD101浪涌保护器件布置在CAN总线通讯端口,进行静电释放和浪涌保护。

为达到绞车提升信号系统语音信号清晰、不失真的目的,选用AMBE-1000、CSP1027专用语音处理芯片对语音信号进行压缩、编码并发送至CAN通讯总线。

新增绞车提升信号检测及闭锁电路如图3所示,绞车提升信号系统的I/O接口板与绞车提升电控系统的安全回路相连,通过五组继电器实现信号闭锁。当绞车提升系统发生紧急状态并拍下“急停”按钮发送急停信号后,与“急停”信号相连的继电器能够及时切断绞车安全回路,实现紧急制动停车。

图3 绞车提升信号检测及闭锁电路

绞车提升信号软件系统主要完成STM32控制芯片的初始化、信号检测、信号传输、CAN总线通讯连接的建立和维护及语音报警等功能。在Windows10操作系统中基于Keil MDK开发平台,采用C语言进行绞车提升信号系统的程序编写及调试[6]。绞车提升信号系统主流程核心模块为电压AD检测、信号检测以及语音通话三个模块。

(1) 电压AD检测模块用于监测绞车提升信号系统的CAN总线式拓扑结构的总线供电电压,保证该电压不低于设定的电压阈值。当监测到的总线供电电压低于设定电压阈值后触发电压异常报警并经CAN总线传送至STM32控制板。通过STM32的ADC0～ADC5通道进行电压A/D转换,在一个采样周期内采集并存储m个电压数据并做算数平均处理,达到采集精确、减小误差的目的。

(2) 信号检测模块用于主动轮询三个信号站的工作方式信号、工作执行信号并传送至STM32控制板。

(3) 语音通话模块用于对绞车提升信号系统中的语音进行模数转换、编码、译码并在扬声器中听到清晰、音质好、不失真的语音信号。

5.1 试验平台

在山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司东曲煤矿搭建绞车提升信号试验系统简化模型以及CAN总线通讯平台,利用东曲煤矿的绞车实物系统,分别进行CAN总线传输速率试验、终端电阻匹配试验以及CAN总线传输数据准确率试验。

5.2 试验及数据分析

5.2.1 CAN总线传输速率试验

保持与原系统相同的网络拓扑结构,终端电阻为120 Ω,设置STM32控制板计数器时钟频率为14 MHz。STM32控制板检测到CAN总线电平信号由隐性电平转换为显性电平时开始计时,由显性电平转换为隐性电平时停止计时,同时利用计数器累加电平转换次数。通过STM32控制板内置的运算器计算通讯传输速率。绞车提升信号系统优化前、后通讯传输速率对比如表1所示。由表1可知:优化后的绞车提升信号系统CAN总线传输速率较高,达到了远距离传输的目的。

表1 绞车提升信号系统优化前、后通讯传输速率对比

5.2.2 终端电阻匹配试验

设置不同CAN总线传输距离,统计不同终端电阻阻值时的传输速率,如图4所示。终端电阻阻值为120 Ω时为最优选,应将120 Ω作为终端电阻匹配值的中心范围。

图4 传输速率与终端电阻阻值匹配曲线

5.2.3 CAN总线传输数据准确率试验

设置传输距离为100 m～1 500 m共8种CAN通讯节点温度模拟量,步距为200 m。通过检测CAN通讯节点处温度的失真程度,间接衡量数据准确率。表2为8种传输距离下CAN通讯节点处实测温度、理论温度数据。由表2可知:CAN总线通讯距离逐渐增加时,信号的偏差率逐渐加大。在实际应用中,需增加CAN中继设备,减小通讯数据偏差率,增加信号强度。

表2 CAN总线传输数据准确率对比

(1) 采用CAN总线通讯,根据通讯距离匹配最优终端电阻、使用专用双屏蔽层的双绞线,采用差分信号传输和总线型拓扑结构,提高了绞车提升信号系统的远距离传输能力,提升了数据传输的实时性。

(2) 采用EPCOS-B82793双向滤波器、ESD101浪涌保护器解决了绞车提升信号系统电磁干扰问题。

(3) 采用AMBE-1000专用语音处理芯片和CSP1027模数转换芯片,解决了绞车提升信号系统语音音质不清晰、失真的问题。

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