应用GPS技能设计露天皮带输送机的故障定位系统_故障_总线

该系统紧张采取GPS技能对皮带运送机进行故障定位，并通过掌握域网（CAN）总线实时地将故障发生韶光信息和故障发生位置上传到总站，利用RS 485总线与PC端实现通信，能够同时知足快速性、精确性及便捷性的哀求。
通过实验验证，系统能够知足事情须要。

随着工业化水平提高，皮带运送机被广泛运用在煤炭运输等领域，同时，以皮带运送机为主的运输设备逐渐向高速率、大运量、远间隔方向发展。
皮带运送机在进行远间隔传输的过程中，一旦其发生故障，会引起全体系统停运，以是快速并精准地找到故障位置对提高皮带运送机事情效率及运行可靠性尤为主要。

经由查阅大量文献创造，故障定位技能在多个领域都十分主要。
工业领域大多采取环球定位系统（global positioning system, GPS）实现对故障位置的确定。
GPS技能最早是由美国在1988年为了军事事情所研发的卫星导航定位系统。
经由近四十年的发展，目前GPS可以在环球任意一点利用。

随着GPS技能的不断进步与优化，其依赖精准性、快速性的特点走进各大工业领域及日常生活中，基于GPS技能的工业化运用逐渐增多并取得了较大的成功。
目前在工矿企业中，GPS技能紧张运用于矿山丈量，现有的传输系统大多为编写地址码，以是本文提出引入GPS技能，以提升全体系统的故障定位能力。

针对现有的皮带运送机故障定位系统，大多数学者提出基于掌握域网（control area network, CAN）总线的故障定位方法，紧张是将各个采集站在安装时按顺序分别编号，涌现故障时通过CAN总线上传故障编号至总站。

比较于之前的仅依赖RS 485总线传输的系统，该方法在传输能力上有一定提升，但仍存在以下缺陷：①在安装上千个故障定位系统的几十公里线路中，须要对每个定位系统进行编码，事情量较大、事情韶光较长；②一旦变动任意一段路线，后面的定位系统则须要重新编号；③总站端只能吸收编码信息，一旦故障涌现就须要在上千个编码中查询相应故障点。

针对以上存在的问题，本文对系统进行创新性改进：通过引入GPS技能可直接传输故障发生详细位置的经纬度信息，并据此找到故障位置。
该系统不用在安装或改换时重新编码，在故障涌现时也无需再次解码即可通过经纬度信息快速、精准地找到故障位置。

为了实现快速精准的故障定位，本文设计一套基于GPS技能的故障定位系统，该系统紧张分为采集站和总站两部分，采集站卖力吸收来自卫星的位置及时间信息，当涌现故障时通过CAN总线将其传输至总站。
总站紧张卖力将吸收到的干系信息通过RS 485总线传输至PC端并报警。
PC端显示故障发生的位置信息。
系统的信息流向如图1所示。

图1 系统信息流向

本文所设计系统的关键在于位置信息的获取及信息的通报，根据系统事情的实际情形，须要通过两部分实现。
一部分安装在各个故障检测处，紧张卖力吸收GPS旗子暗记及监测是否发生故障，命名为采集站；另一部分为监测端，紧张是吸收来自采集站的故障位置信息并实现与PC端通信，便于事情职员理解故障发生位置，命名为总站。

由于系统数量较多，以是选用具有较好通信能力的CAN总线进行传输，但CAN总线不能直接进行串口通信，须要借助RS 485总线实现全体系统的设计。
系统总体网络构造如图2所示。

图2 系统总体网络构造

CANH、CANL为CAN模块的传输线，沿皮带运送机全线架设，采集站间隔一定间隔分布在皮带运送机沿线上，各个采集站连接在CANH、CANL上；总站设置在掌握室，吸收来自CAN总线所传输的定位信息，通过RS 485总线实现与PC端通信。

1.1 采集站硬件设计

采集站集成了单片机、GPS模块、CAN总线模块及拨动开关。
主芯片是故障定位及旗子暗记上报的关键掌握部件。
本文所选用的主掌握芯片均为ST公司出品的32位STM32F103单片机，无论在性能还是功耗上都具有一定上风。
图3为采集站构造。

当皮带运送机存在打滑、跑偏等问题导致皮带运送机停运时，拨动开关动作，主芯片检测到故障开关动作后，立即记录GPS模块吸收的位置信息及拨动开关动作韶光，通过CAN总线向总站传输故障韶光及故障位置经纬度。

图3 采集站构造

1.2 总站硬件设计

总站紧张集成了STM32单片机、MAX485模块、CAN总线模块及蜂鸣器模块。
当总站收到采集站传输的韶光信息和故障位置经纬度信息时，蜂鸣器模块事情，提醒事情职员皮带运送机涌现非常。
主芯片记录CAN吸收器所吸收的信息并通过RS 485串口进行通信，PC端显示故障位置信息及时间数据，以便事情职员迅速理解故障位置，图4为总站构造。

图4 总站构造

采集站、总站均设有复位开关，当故障解除后，现场处理职员与监控职员均可将开关复位，开关复位后系统可连续正常运行。

1.3 GPS模块的硬件电路设计

GPS模块作为故障定位系统的核心部件，其紧张的任务是获取韶光及位置信息。
本文设计的系统选取灵敏性较高、经济性较好的小型GPS-OME模块，紧张是由于：

①民用GPS-OME模块精度均匀在10m旁边，旗子暗记越好（或直接不雅观看到天空的面积越大），定位精度越高。
本文涉及露天环境，定位精度可以达到3～5m。
由于定位系统安装间隔为50m，以是精度知足系统需求；

②本文所设计的系统紧张事情在偏远地区且可能为茂密的森林，普通的GPS模块难以在这种环境下事情，本文所选用的GPS-OME模块则可以适应皮带运送机远间隔传输的事情环境。
该模块还可以直接与芯片进行串口通信，以是GPS-OME模块可以直接向主芯片发送位置信息，主芯片吸收旗子暗记后进行相应处理。

GPS-OME模块与主芯片间利用NEMA协议，韶光及定位信息采取ASCII码通报。
GPS与单片机连接办法如图5所示。
其与主芯片通过引脚3连接单片机RXD引脚，引脚4连接单片机TXD引脚。

1.4 CAN总线的硬件电路设计

CAN总线模块的紧张任务是在皮带运送机发生故障时，在主芯片的掌握下将GPS模块采集的位置及时间信息通报至主站。

图5 GPS与单片机连接办法

CAN总线拥有高速、抗滋扰、热防护等一系列优点。
系统中所选主芯片STM32F103C8T6自带CAN总线接口，同时适用CAN2.0A与CAN2.0B协议，可通过软件配置传输速率，但CAN掌握器不能供应物理层驱动，可借助CAN收发芯片进行电气转换办理这一问题。

该系统利用TJA1050芯片利用CAN2.0B协议完成CAN总线高速收发，芯片内部集成了隔离及保护器件，将120Ω的电阻接在总线两侧，紧张目的是提高传输过程中的耐扰性与可靠性，同时对各个节点的拓扑能力也有一定的提升。
在硬件电路连接中，TXD引脚和RXD引脚卖力吸收和发送数据连接单片机的PA12与PA11，CAN总线与单片机连接办法如图6所示。

图6 CAN总线与单片机连接办法

1.5 MAX485的硬件电路设计

MAX485芯片紧张卖力总站与上位机的通信事情，将吸收到来自采集站与总站之间利用CAN总线传输的信息，通过RS 485接口实现与PC真个实时通信。
MAX485芯片与单片机连接办法如图7所示。
虽然CAN总线具有较好的传输性能，但是仍无法与上位机之间实现直接通信，须要借助Modbus协议与上位机进行通信。

图7 MAX485与单片机连接办法

系统的软件设计采取与硬件设计相似的模块化方法，包括主程序、GPS模块、通信模块及相应I/O口连接。
系统的整体流程如图8所示。

图8 系统整体流程

本文中GPS-OME模块的通信协议采取常用的NMEA协议，由于通信卫星的数量在逐年增加，针对不同的报文具有不同的报头。
本文采取的GPS报头为GP，所需数据紧张包括帧数据、起始点及终止点。
针对不同的帧数据，NMEA具有多种语句，可供应位置、韶光、速率等信息。

根据本系统的实际需求，仅须要位置及时间信息，以是本系统采取$GPGGA措辞，通过该措辞可获取韶光、经纬度、卫星颗数等干系信息。
NMEA协议语句格式见表1。

表1 NMEA协议语句格式

GPS-OME吸收板在吸收GPS信息时将吸收大量的数据，但是本文所设计的系统只须要吸收韶光及位置信息，所须要的数据量较小可直接将定位信息发送至主芯片进行下一步处理。
该过程中需对采集数据进行中断处理，根据NMEA协议的特点，当检测到$GPGGA时开始记录数据中“，”个数，当“，”个数即是6时改变寄存器数据，上传至主芯片，实现GPS信息的采集与上传。

在涌现故障时，主芯片利用CAN总线技能将获取到的GPS-OME吸收的数据传输至总站。
CAN总线协议具有无毁坏的总线仲裁技能、多机通信等优点，本设计在软件设计过程中采取CAN的电气标准。

由于CAN总线不能直接与PC端实现串口通信，以是要将各个采集站检测到的信息通过各个CAN总线传输至总站，通过总站主芯片转换为RS 485接口的Modbus协议，在PC端显示故障位置信息，终极实现系统设计目标。

为了更好地测试系统运行性能，本次实验选择在室外较宽阔地区进行。
系统实物如图9所示。

图9 系统实物

GPS模块绿灯闪烁代表GPS旗子暗记吸收正常。
采集站拨动仿照故障开关后主站蜂鸣器报警，PC端显示故障信息如图10所示。

图10 故障信息

通过对系统的测试情形来看，传输韶光大概在1s旁边，经查询，测试地点的坐标信息为N:45.098075, E:126.594670，我国常用的为WGS1984坐标，根据纬度关系1s相差的间隔约为30.83m，经换算可得实验纬度偏差为0°0'0.0684"，实验所获取的数据与实际数据比较相差1.99m。
同理，经度1s相差23.6m，经换算可得实验经度偏差为0°0'0.054"，实验所获取的数据与实际数据比较相差1.2744m。
实验偏差数据见表2。

表2 实验偏差数据

目前长间隔皮带运送机约20km，多数故障定位系统每隔50m安顿一个，根据实验所得的结果，2m的偏差完备可以知足实验的需求。
经由不同地点的多次实验，系统吸收的经纬度信息与实际经纬度信息附近，符合实验哀求，达到了预期目标。

面对皮带运送机远间隔、大容量的发展趋势，故障位置的确定成为担保皮带运送机安全运行的主要环节。
通过剖析现有故障定位系统的不敷，本文提出了基于GPS的露天皮带运送机故障定位系统，由于采取了GPS作为定位工具，可以在故障发生后1s旁边获取到精准经纬度信息，定位精度可达2m.

比较现有系统，所提系统省去了编码及解码的环节，大幅减少了故障定位的韶光及安装或更改过程中的事情量，同时办理了现有系统无法得到准确定位信息的问题。
选用GPS技能使全体故障定位系统在准确性、快速性、便捷性及经济性方面都有大幅提升。
系统实验测试结果达到了实际预期。

本文编自2021年第8期《电气技能》，论文标题为“基于GPS的露天皮带运送机故障定位系统设计与实现”，作者为郭佳、宗鸣。