隨著工業(yè)化水平提高，皮帶輸送機(jī)被廣泛應(yīng)用在煤炭運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，同時，以皮帶輸送機(jī)為主的運(yùn)輸設(shè)備逐漸向高速度、大運(yùn)量、遠(yuǎn)距離方向發(fā)展。皮帶輸送機(jī)在進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)倪^程中，一旦其發(fā)生故障，會引起整個系統(tǒng)停運(yùn)，所以快速并精準(zhǔn)地找到故障位置對提高皮帶輸送機(jī)工作效率及運(yùn)行可靠性尤為重要。

經(jīng)過查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，故障定位技術(shù)在多個領(lǐng)域都十分重要。工業(yè)領(lǐng)域大多采用全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）實(shí)現(xiàn)對故障位置的確定。GPS技術(shù)最早是由美國在1988年為了軍事工作所研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。經(jīng)過近四十年的發(fā)展，目前GPS可以在全球任意一點(diǎn)使用。

隨著GPS技術(shù)的不斷進(jìn)步與優(yōu)化，其依靠精準(zhǔn)性、快速性的特點(diǎn)走進(jìn)各大工業(yè)領(lǐng)域及日常生活中，基于GPS技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用逐漸增多并取得了較大的成功。目前在工礦企業(yè)中，GPS技術(shù)主要應(yīng)用于礦山測量，現(xiàn)有的傳輸系統(tǒng)大多為編寫地址碼，所以本文提出引入GPS技術(shù)，以提升整個系統(tǒng)的故障定位能力。

針對現(xiàn)有的皮帶輸送機(jī)故障定位系統(tǒng)，大多數(shù)學(xué)者提出基于控制域網(wǎng)（control area network, CAN）總線的故障定位方法，主要是將各個采集站在安裝時按順序分別編號，出現(xiàn)故障時通過CAN總線上傳故障編號至總站。

相比于之前的僅依靠RS 485總線傳輸?shù)南到y(tǒng)，該方法在傳輸能力上有一定提升，但仍存在以下缺點(diǎn)：①在安裝上千個故障定位系統(tǒng)的幾十公里線路中，需要對每個定位系統(tǒng)進(jìn)行編碼，工作量較大、工作時間較長；②一旦更改任意一段路線，后面的定位系統(tǒng)則需要重新編號；③總站端只能接收編碼信息，一旦故障出現(xiàn)就需要在上千個編碼中查詢相應(yīng)故障點(diǎn)。

針對以上存在的問題，本文對系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)：通過引入GPS技術(shù)可直接傳輸故障發(fā)生具體位置的經(jīng)緯度信息，并據(jù)此找到故障位置。該系統(tǒng)不用在安裝或更換時重新編碼，在故障出現(xiàn)時也無需再次解碼即可通過經(jīng)緯度信息快速、精準(zhǔn)地找到故障位置。

為了實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的故障定位，本文設(shè)計(jì)一套基于GPS技術(shù)的故障定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為采集站和總站兩部分，采集站負(fù)責(zé)接收來自衛(wèi)星的位置及時間信息，當(dāng)出現(xiàn)故障時通過CAN總線將其傳輸至總站?？傉局饕?fù)責(zé)將接收到的相關(guān)信息通過RS 485總線傳輸至PC端并報(bào)警。PC端顯示故障發(fā)生的位置信息。系統(tǒng)的信息流向如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)信息流向

1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于位置信息的獲取及信息的傳遞，根據(jù)系統(tǒng)工作的實(shí)際情況，需要通過兩部分實(shí)現(xiàn)。一部分安裝在各個故障檢測處，主要負(fù)責(zé)接收GPS信號及監(jiān)測是否發(fā)生故障，命名為采集站；另一部分為監(jiān)測端，主要是接收來自采集站的故障位置信息并實(shí)現(xiàn)與PC端通信，便于工作人員了解故障發(fā)生位置，命名為總站。

由于系統(tǒng)數(shù)量較多，所以選用具有較好通信能力的CAN總線進(jìn)行傳輸，但CAN總線不能直接進(jìn)行串口通信，需要借助RS 485總線實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

CANH、CANL為CAN模塊的傳輸線，沿皮帶輸送機(jī)全線架設(shè)，采集站間隔一定距離分布在皮帶輸送機(jī)沿線上，各個采集站連接在CANH、CANL上；總站設(shè)置在控制室，接收來自CAN總線所傳輸?shù)亩ㄎ恍畔ⅲㄟ^RS 485總線實(shí)現(xiàn)與PC端通信。

1.1 采集站硬件設(shè)計(jì)

采集站集成了單片機(jī)、GPS模塊、CAN總線模塊及撥動開關(guān)。主芯片是故障定位及信號上報(bào)的關(guān)鍵控制部件。本文所選用的主控制芯片均為ST公司出品的32位STM32F103單片機(jī)，無論在性能還是功耗上都具有一定優(yōu)勢。圖3為采集站結(jié)構(gòu)。

當(dāng)皮帶輸送機(jī)存在打滑、跑偏等問題導(dǎo)致皮帶輸送機(jī)停運(yùn)時，撥動開關(guān)動作，主芯片檢測到故障開關(guān)動作后，立即記錄GPS模塊接收的位置信息及撥動開關(guān)動作時間，通過CAN總線向總站傳輸故障時間及故障位置經(jīng)緯度。

圖3 采集站結(jié)構(gòu)

1.2 總站硬件設(shè)計(jì)

總站主要集成了STM32單片機(jī)、MAX485模塊、CAN總線模塊及蜂鳴器模塊。當(dāng)總站收到采集站傳輸?shù)臅r間信息和故障位置經(jīng)緯度信息時，蜂鳴器模塊工作，提醒工作人員皮帶輸送機(jī)出現(xiàn)異常。主芯片記錄CAN接收器所接收的信息并通過RS 485串口進(jìn)行通信，PC端顯示故障位置信息及時間數(shù)據(jù)，以便工作人員迅速了解故障位置，圖4為總站結(jié)構(gòu)。

圖4 總站結(jié)構(gòu)

采集站、總站均設(shè)有復(fù)位開關(guān)，當(dāng)故障解除后，現(xiàn)場處理人員與監(jiān)控人員均可將開關(guān)復(fù)位，開關(guān)復(fù)位后系統(tǒng)可繼續(xù)正常運(yùn)行。

1.3 GPS模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

GPS模塊作為故障定位系統(tǒng)的核心部件，其主要的任務(wù)是獲取時間及位置信息。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選取靈敏性較高、經(jīng)濟(jì)性較好的小型GPS-OME模塊，主要是因?yàn)椋?/p>

①民用GPS-OME模塊精度平均在10m左右，信號越好（或直接觀看到天空的面積越大），定位精度越高。本文涉及露天環(huán)境，定位精度可以達(dá)到3～5m。由于定位系統(tǒng)安裝間隔為50m，所以精度滿足系統(tǒng)需求；

②本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要工作在偏遠(yuǎn)地區(qū)且可能為茂密的森林，普通的GPS模塊難以在這種環(huán)境下工作，本文所選用的GPS-OME模塊則可以適應(yīng)皮帶輸送機(jī)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓ぷ鳝h(huán)境。該模塊還可以直接與芯片進(jìn)行串口通信，所以GPS-OME模塊可以直接向主芯片發(fā)送位置信息，主芯片接收信號后進(jìn)行相應(yīng)處理。

GPS-OME模塊與主芯片間使用NEMA協(xié)議，時間及定位信息采用ASCII碼傳遞。GPS與單片機(jī)連接方式如圖5所示。其與主芯片通過引腳3連接單片機(jī)RXD引腳，引腳4連接單片機(jī)TXD引腳。

1.4 CAN總線的硬件電路設(shè)計(jì)

CAN總線模塊的主要任務(wù)是在皮帶輸送機(jī)發(fā)生故障時，在主芯片的控制下將GPS模塊采集的位置及時間信息傳遞至主站。

圖5 GPS與單片機(jī)連接方式

CAN總線擁有高速、抗干擾、熱防護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中所選主芯片STM32F103C8T6自帶CAN總線接口，同時適用CAN2.0A與CAN2.0B協(xié)議，可通過軟件配置傳輸速率，但CAN控制器不能提供物理層驅(qū)動，可借助CAN收發(fā)芯片進(jìn)行電氣轉(zhuǎn)換解決這一問題。

該系統(tǒng)使用TJA1050芯片運(yùn)用CAN2.0B協(xié)議完成CAN總線高速收發(fā)，芯片內(nèi)部集成了隔離及保護(hù)器件，將120Ω的電阻接在總線兩側(cè)，主要目的是提高傳輸過程中的耐擾性與可靠性，同時對各個節(jié)點(diǎn)的拓?fù)淠芰σ灿幸欢ǖ奶嵘Ｔ谟布娐愤B接中，TXD引腳和RXD引腳負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)連接單片機(jī)的PA12與PA11，CAN總線與單片機(jī)連接方式如圖6所示。

圖6 CAN總線與單片機(jī)連接方式

1.5 MAX485的硬件電路設(shè)計(jì)

MAX485芯片主要負(fù)責(zé)總站與上位機(jī)的通信工作，將接收到來自采集站與總站之間使用CAN總線傳輸?shù)男畔?，通過RS 485接口實(shí)現(xiàn)與PC端的實(shí)時通信。MAX485芯片與單片機(jī)連接方式如圖7所示。雖然CAN總線具有較好的傳輸性能，但是仍無法與上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)直接通信，需要借助Modbus協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。

圖7 MAX485與單片機(jī)連接方式

2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用與硬件設(shè)計(jì)相似的模塊化方法，包括主程序、GPS模塊、通信模塊及相應(yīng)I/O口連接。系統(tǒng)的整體流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)整體流程

本文中GPS-OME模塊的通信協(xié)議采用常用的NMEA協(xié)議，由于通信衛(wèi)星的數(shù)量在逐年增加，針對不同的報(bào)文具有不同的報(bào)頭。本文采用的GPS報(bào)頭為GP，所需數(shù)據(jù)主要包括幀數(shù)據(jù)、起始點(diǎn)及終止點(diǎn)。針對不同的幀數(shù)據(jù)，NMEA具有多種語句，可提供位置、時間、速度等信息。

根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際需求，僅需要位置及時間信息，所以本系統(tǒng)采用$GPGGA語言，通過該語言可獲取時間、經(jīng)緯度、衛(wèi)星顆數(shù)等相關(guān)信息。NMEA協(xié)議語句格式見表1。

表1 NMEA協(xié)議語句格式

GPS-OME接收板在接收GPS信息時將接收大量的數(shù)據(jù)，但是本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只需要接收時間及位置信息，所需要的數(shù)據(jù)量較小可直接將定位信息發(fā)送至主芯片進(jìn)行下一步處理。該過程中需對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行中斷處理，根據(jù)NMEA協(xié)議的特點(diǎn)，當(dāng)檢測到$GPGGA時開始記錄數(shù)據(jù)中“，”個數(shù)，當(dāng)“，”個數(shù)等于6時改變寄存器數(shù)據(jù)，上傳至主芯片，實(shí)現(xiàn)GPS信息的采集與上傳。

在出現(xiàn)故障時，主芯片利用CAN總線技術(shù)將獲取到的GPS-OME接收的數(shù)據(jù)傳輸至總站。CAN總線協(xié)議具有無破壞的總線仲裁技術(shù)、多機(jī)通信等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)過程中采用CAN的電氣標(biāo)準(zhǔn)。

由于CAN總線不能直接與PC端實(shí)現(xiàn)串口通信，所以要將各個采集站檢測到的信息通過各個CAN總線傳輸至總站，通過總站主芯片轉(zhuǎn)換為RS 485接口的Modbus協(xié)議，在PC端顯示故障位置信息，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

?3 系統(tǒng)整體測試

為了更好地測試系統(tǒng)運(yùn)行性能，本次實(shí)驗(yàn)選擇在室外較寬闊地區(qū)進(jìn)行。系統(tǒng)實(shí)物如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)實(shí)物

GPS模塊綠燈閃爍代表GPS信號接收正常。采集站撥動模擬故障開關(guān)后主站蜂鳴器報(bào)警，PC端顯示故障信息如圖10所示。

圖10 故障信息

通過對系統(tǒng)的測試情況來看，傳輸時間大概在1s左右，經(jīng)查詢，測試地點(diǎn)的坐標(biāo)信息為N:45.098075, E:126.594670，我國常用的為WGS1984坐標(biāo)，根據(jù)緯度關(guān)系1s相差的距離約為30.83m，經(jīng)換算可得實(shí)驗(yàn)緯度誤差為0°0'0.0684"，實(shí)驗(yàn)所獲取的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相比相差1.99m。同理，經(jīng)度1s相差23.6m，經(jīng)換算可得實(shí)驗(yàn)經(jīng)度誤差為0°0'0.054"，實(shí)驗(yàn)所獲取的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相比相差1.2744m。實(shí)驗(yàn)誤差數(shù)據(jù)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)誤差數(shù)據(jù)

目前長距離皮帶輸送機(jī)約20km，多數(shù)故障定位系統(tǒng)每隔50m安放一個，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果，2m的誤差完全可以滿足實(shí)驗(yàn)的需求。經(jīng)過不同地點(diǎn)的多次實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)接收的經(jīng)緯度信息與實(shí)際經(jīng)緯度信息相近，符合實(shí)驗(yàn)要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)論

面對皮帶輸送機(jī)遠(yuǎn)距離、大容量的發(fā)展趨勢，故障位置的確定成為保證皮帶輸送機(jī)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。通過分析現(xiàn)有故障定位系統(tǒng)的不足，本文提出了基于GPS的露天皮帶輸送機(jī)故障定位系統(tǒng)，由于采用了GPS作為定位工具，可以在故障發(fā)生后1s左右獲取到精準(zhǔn)經(jīng)緯度信息，定位精度可達(dá)2m.

相比現(xiàn)有系統(tǒng)，所提系統(tǒng)省去了編碼及解碼的環(huán)節(jié)，大幅減少了故障定位的時間及安裝或更改過程中的工作量，同時解決了現(xiàn)有系統(tǒng)無法得到準(zhǔn)確定位信息的問題。選用GPS技術(shù)使整個故障定位系統(tǒng)在準(zhǔn)確性、快速性、便捷性及經(jīng)濟(jì)性方面都有大幅提升。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果達(dá)到了實(shí)際預(yù)期。

本文編自2021年第8期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于GPS的露天皮帶輸送機(jī)故障定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”，作者為郭佳、宗鳴。