隨著工業化水平提高，皮帶輸送機被廣泛應用在煤炭運輸等領域，同時，以皮帶輸送機為主的運輸設備逐漸向高速度、大運量、遠距離方向發展。皮帶輸送機在進行遠距離傳輸的過程中，一旦其發生故障，會引起整個系統停運，所以快速并精準地找到故障位置對提高皮帶輸送機工作效率及運行可靠性尤為重要。

經過查閱大量文獻發現，故障定位技術在多個領域都十分重要。工業領域大多采用全球定位系統（global positioning system, GPS）實現對故障位置的確定。GPS技術最早是由美國在1988年為了軍事工作所研發的衛星導航定位系統。經過近四十年的發展，目前GPS可以在全球任意一點使用。

隨著GPS技術的不斷進步與優化，其依靠精準性、快速性的特點走進各大工業領域及日常生活中，基于GPS技術的工業化應用逐漸增多并取得了較大的成功。目前在工礦企業中，GPS技術主要應用于礦山測量，現有的傳輸系統大多為編寫地址碼，所以本文提出引入GPS技術，以提升整個系統的故障定位能力。

針對現有的皮帶輸送機故障定位系統，大多數學者提出基于控制域網（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總線傳輸的系統，該方法在傳輸能力上有一定提升，但仍存在以下缺點：①在安裝上千個故障定位系統的幾十公里線路中，需要對每個定位系統進行編碼，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，一旦故障出現就需要在上千個編碼中查詢相應故障點。

針對以上存在的問題，本文對系統進行創新性改進：通過引入GPS技術可直接傳輸故障發生具體位置的經緯度信息，并據此找到故障位置。該系統不用在安裝或更換時重新編碼，在故障出現時也無需再次解碼即可通過經緯度信息快速、精準地找到故障位置。

為了實現快速精準的故障定位，本文設計一套基于GPS技術的故障定位系統，該系統主要分為采集站和總站兩部分，采集站負責接收來自衛星的位置及時間信息，當出現故障時通過CAN總線將其傳輸至總站。總站主要負責將接收到的相關信息通過RS 485總線傳輸至PC端并報警。PC端顯示故障發生的位置信息。系統的信息流向如圖1所示。

圖1 系統信息流向

1 系統總體硬件設計

本文所設計系統的關鍵在于位置信息的獲取及信息的傳遞，根據系統工作的實際情況，需要通過兩部分實現。一部分安裝在各個故障檢測處，主要負責接收GPS信號及監測是否發生故障，命名為采集站；另一部分為監測端，主要是接收來自采集站的故障位置信息并實現與PC端通信，便于工作人員了解故障發生位置，命名為總站。

由于系統數量較多，所以選用具有較好通信能力的CAN總線進行傳輸，但CAN總線不能直接進行串口通信，需要借助RS 485總線實現整個系統的設計。系統總體網絡結構如圖2所示。

圖2 系統總體網絡結構

CANH、CANL為CAN模塊的傳輸線，沿皮帶輸送機全線架設，采集站間隔一定距離分布在皮帶輸送機沿線上，各個采集站連接在CANH、CANL上；總站設置在控制室，接收來自CAN總線所傳輸的定位信息，通過RS 485總線實現與PC端通信。

1.1 采集站硬件設計

采集站集成了單片機、GPS模塊、CAN總線模塊及撥動開關。主芯片是故障定位及信號上報的關鍵控制部件。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，無論在性能還是功耗上都具有一定優勢。圖3為采集站結構。

當皮帶輸送機存在打滑、跑偏等問題導致皮帶輸送機停運時，撥動開關動作，主芯片檢測到故障開關動作后，立即記錄GPS模塊接收的位置信息及撥動開關動作時間，通過CAN總線向總站傳輸故障時間及故障位置經緯度。

圖3 采集站結構

1.2 總站硬件設計

總站主要集成了STM32單片機、MAX485模塊、CAN總線模塊及蜂鳴器模塊。當總站收到采集站傳輸的時間信息和故障位置經緯度信息時，蜂鳴器模塊工作，提醒工作人員皮帶輸送機出現異常。主芯片記錄CAN接收器所接收的信息并通過RS 485串口進行通信，PC端顯示故障位置信息及時間數據，以便工作人員迅速了解故障位置，圖4為總站結構。

圖4 總站結構

采集站、總站均設有復位開關，當故障解除后，現場處理人員與監控人員均可將開關復位，開關復位后系統可繼續正常運行。

1.3 GPS模塊的硬件電路設計

GPS模塊作為故障定位系統的核心部件，其主要的任務是獲取時間及位置信息。本文設計的系統選取靈敏性較高、經濟性較好的小型GPS-OME模塊，主要是因為：

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。本文涉及露天環境，定位精度可以達到3～5m。由于定位系統安裝間隔為50m，所以精度滿足系統需求；

②本文所設計的系統主要工作在偏遠地區且可能為茂密的森林，普通的GPS模塊難以在這種環境下工作，本文所選用的GPS-OME模塊則可以適應皮帶輸送機遠距離傳輸的工作環境。該模塊還可以直接與芯片進行串口通信，所以GPS-OME模塊可以直接向主芯片發送位置信息，主芯片接收信號后進行相應處理。

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

1.4 CAN總線的硬件電路設計

CAN總線模塊的主要任務是在皮帶輸送機發生故障時，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與單片機連接方式

CAN總線擁有高速、抗干擾、熱防護等一系列優點。系統中所選主芯片STM32F103C8T6自帶CAN總線接口，同時適用CAN2.0A與CAN2.0B協議，可通過軟件配置傳輸速率，但CAN控制器不能提供物理層驅動，可借助CAN收發芯片進行電氣轉換解決這一問題。

該系統使用TJA1050芯片運用CAN2.0B協議完成CAN總線高速收發，芯片內部集成了隔離及保護器件，將120Ω的電阻接在總線兩側，主要目的是提高傳輸過程中的耐擾性與可靠性，同時對各個節點的拓撲能力也有一定的提升。在硬件電路連接中，TXD引腳和RXD引腳負責接收和發送數據連接單片機的PA12與PA11，CAN總線與單片機連接方式如圖6所示。

圖6 CAN總線與單片機連接方式

1.5 MAX485的硬件電路設計

MAX485芯片主要負責總站與上位機的通信工作，將接收到來自采集站與總站之間使用CAN總線傳輸的信息，通過RS 485接口實現與PC端的實時通信。MAX485芯片與單片機連接方式如圖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之間實現直接通信，需要借助Modbus協議與上位機進行通信。

圖7 MAX485與單片機連接方式

2 系統軟件開發

系統的軟件設計采用與硬件設計相似的模塊化方法，包括主程序、GPS模塊、通信模塊及相應I/O口連接。系統的整體流程如圖8所示。

圖8 系統整體流程

本文中GPS-OME模塊的通信協議采用常用的NMEA協議，由于通信衛星的數量在逐年增加，針對不同的報文具有不同的報頭。本文采用的GPS報頭為GP，所需數據主要包括幀數據、起始點及終止點。針對不同的幀數據，NMEA具有多種語句，可提供位置、時間、速度等信息。

根據本系統的實際需求，僅需要位置及時間信息，所以本系統采用$GPGGA語言，通過該語言可獲取時間、經緯度、衛星顆數等相關信息。NMEA協議語句格式見表1。

表1 NMEA協議語句格式

GPS-OME接收板在接收GPS信息時將接收大量的數據，但是本文所設計的系統只需要接收時間及位置信息，所需要的數據量較小可直接將定位信息發送至主芯片進行下一步處理。該過程中需對采集數據進行中斷處理，根據NMEA協議的特點，當檢測到$GPGGA時開始記錄數據中“，”個數，當“，”個數等于6時改變寄存器數據，上傳至主芯片，實現GPS信息的采集與上傳。

在出現故障時，主芯片利用CAN總線技術將獲取到的GPS-OME接收的數據傳輸至總站。CAN總線協議具有無破壞的總線仲裁技術、多機通信等優點，本設計在軟件設計過程中采用CAN的電氣標準。

由于CAN總線不能直接與PC端實現串口通信，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，通過總站主芯片轉換為RS 485接口的Modbus協議，在PC端顯示故障位置信息，最終實現系統設計目標。

?3 系統整體測試

為了更好地測試系統運行性能，本次實驗選擇在室外較寬闊地區進行。系統實物如圖9所示。

圖9 系統實物

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后主站蜂鳴器報警，PC端顯示故障信息如圖10所示。

圖10 故障信息

通過對系統的測試情況來看，傳輸時間大概在1s左右，經查詢，測試地點的坐標信息為N:45.098075, E:126.594670，我國常用的為WGS1984坐標，根據緯度關系1s相差的距離約為30.83m，經換算可得實驗緯度誤差為0°0'0.0684"，實驗所獲取的數據與實際數據相比相差1.99m。同理，經度1s相差23.6m，經換算可得實驗經度誤差為0°0'0.054"，實驗所獲取的數據與實際數據相比相差1.2744m。實驗誤差數據見表2。

表2 實驗誤差數據

目前長距離皮帶輸送機約20km，多數故障定位系統每隔50m安放一個，根據實驗所得的結果，2m的誤差完全可以滿足實驗的需求。經過不同地點的多次實驗，系統接收的經緯度信息與實際經緯度信息相近，符合實驗要求，達到了預期目標。

4 結論

面對皮帶輸送機遠距離、大容量的發展趨勢，故障位置的確定成為保證皮帶輸送機安全運行的重要環節。通過分析現有故障定位系統的不足，本文提出了基于GPS的露天皮帶輸送機故障定位系統，由于采用了GPS作為定位工具，可以在故障發生后1s左右獲取到精準經緯度信息，定位精度可達2m.

相比現有系統，所提系統省去了編碼及解碼的環節，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，同時解決了現有系統無法得到準確定位信息的問題。選用GPS技術使整個故障定位系統在準確性、快速性、便捷性及經濟性方面都有大幅提升。系統實驗測試結果達到了實際預期。

本文編自2021年第8期《電氣技術》，論文標題為“基于GPS的露天皮帶輸送機故障定位系統設計與實現”，作者為郭佳、宗鳴。