应用GPS技术设计露天皮带输送机的故障定位系统

现有的皮带输送机定位系统多选用编码器进行故障定位，故障时传输相应编码器的编号，不能得到精准故障位置。针对现有定位系统存在的问题，沈阳工业大学电气工程学院的研究人员郭佳、宗鸣，在2021年第8期《电气技术》上撰文，提出一个基于全球定位系统（GPS）技术的皮带输送机故障定位系统。

该系统主要采用GPS技术对皮带输送机进行故障定位，并通过控制域网（CAN）总线实时地将故障发生时间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，能够同时满足快速性、精确性及便捷性的要求。通过实验验证，系统能够满足工作需要。

随着工业化水平提高，皮带输送机被广泛应用在煤炭运输等领域，同时，以皮带输送机为主的运输设备逐渐向高速度、大运量、远距离方向发展。皮带输送机在进行远距离传输的过程中，一旦其发生故障，会引起整个系统停运，所以快速并精准地找到故障位置对提高皮带输送机工作效率及运行可靠性尤为重要。

经过查阅大量文献发现，故障定位技术在多个领域都十分重要。工业领域大多采用全球定位系统（global positioning system, GPS）实现对故障位置的确定。GPS技术最早是由美国在1988年为了军事工作所研发的卫星导航定位系统。经过近四十年的发展，目前GPS可以在全球任意一点使用。

随着GPS技术的不断进步与优化，其依靠精准性、快速性的特点走进各大工业领域及日常生活中，基于GPS技术的工业化应用逐渐增多并取得了较大的成功。目前在工矿企业中，GPS技术主要应用于矿山测量，现有的传输系统大多为编写地址码，所以本文提出引入GPS技术，以提升整个系统的故障定位能力。

针对现有的皮带输送机故障定位系统，大多数学者提出基于控制域网（control area network, CAN）总线的故障定位方法，主要是将各个采集站在安装时按顺序分别编号，出现故障时通过CAN总线上传故障编号至总站。

相比于之前的仅依靠RS 485总线传输的系统，该方法在传输能力上有一定提升，但仍存在以下缺点：①在安装上千个故障定位系统的几十公里线路中，需要对每个定位系统进行编码，工作量较大、工作时间较长；②一旦更改任意一段路线，后面的定位系统则需要重新编号；③总站端只能接收编码信息，一旦故障出现就需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技术可直接传输故障发生具体位置的经纬度信息，并据此找到故障位置。该系统不用在安装或更换时重新编码，在故障出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技术的故障定位系统，该系统主要分为采集站和总站两部分，采集站负责接收来自卫星的位置及时间信息，当出现故障时通过CAN总线将其传输至总站。总站主要负责将接收到的相关信息通过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

1 系统总体硬件设计

本文所设计系统的关键在于位置信息的获取及信息的传递，根据系统工作的实际情况，需要通过两部分实现。一部分安装在各个故障检测处，主要负责接收GPS信号及监测是否发生故障，命名为采集站；另一部分为监测端，主要是接收来自采集站的故障位置信息并实现与PC端通信，便于工作人员了解故障发生位置，命名为总站。

由于系统数量较多，所以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，需要借助RS 485总线实现整个系统的设计。系统总体网络结构如图2所示。

图2 系统总体网络结构

CANH、CANL为CAN模块的传输线，沿皮带输送机全线架设，采集站间隔一定距离分布在皮带输送机沿线上，各个采集站连接在CANH、CANL上；总站设置在控制室，接收来自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信号上报的关键控制部件。本文所选用的主控制芯片均为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优势。图3为采集站结构。

当皮带输送机存在打滑、跑偏等问题导致皮带输送机停运时，拨动开关动作，主芯片检测到故障开关动作后，立即记录GPS模块接收的位置信息及拨动开关动作时间，通过CAN总线向总站传输故障时间及故障位置经纬度。

图3 采集站结构

1.2 总站硬件设计

总站主要集成了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时间信息和故障位置经纬度信息时，蜂鸣器模块工作，提醒工作人员皮带输送机出现异常。主芯片记录CAN接收器所接收的信息并通过RS 485串口进行通信，PC端显示故障位置信息及时间数据，以便工作人员迅速了解故障位置，图4为总站结构。

图4 总站结构

采集站、总站均设有复位开关，当故障解除后，现场处理人员与监控人员均可将开关复位，开关复位后系统可继续正常运行。

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，其主要的任务是获取时间及位置信息。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，主要是因为：

①民用GPS-OME模块精度平均在10m左右，信号越好（或直接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，所以精度满足系统需求；

②本文所设计的系统主要工作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工作，本文所选用的GPS-OME模块则可以适应皮带输送机远距离传输的工作环境。 该模块还可以直接与芯片进行串口通信，所以GPS-OME模块可以直接向主芯片发送位置信息，主芯片接收信号后进行相应处理。

GPS-OME模块与主芯片间使用NEMA协议，时间及定位信息采用ASCII码传递。GPS与单片机连接方式如图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总线模块的主要任务是在皮带输送机发生故障时，在主芯片的控制下将GPS模块采集的位置及时间信息传递至主站。

图5 GPS与单片机连接方式

CAN总线拥有高速、抗干扰、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控制器不能提供物理层驱动，可借助CAN收发芯片进行电气转换解决这一问题。

该系统使用TJA1050芯片运用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，主要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引脚负责接收和发送数据连接单片机的PA12与PA11，CAN总线与单片机连接方式如图6所示。

图6 CAN总线与单片机连接方式

1.5 MAX485的硬件电路设计

MAX485芯片主要负责总站与上位机的通信工作，将接收到来自采集站与总站之间使用CAN总线传输的信息，通过RS 485接口实现与PC端的实时通信。MAX485芯片与单片机连接方式如图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，需要借助Modbus协议与上位机进行通信。

图7 MAX485与单片机连接方式

2 系统软件开发

系统的软件设计采用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模块的通信协议采用常用的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。本文采用的GPS报头为GP，所需数据主要包括帧数据、起始点及终止点。针对不同的帧数据，NMEA具有多种语句，可提供位置、时间、速度等信息。

根据本系统的实际需求，仅需要位置及时间信息，所以本系统采用$GPGGA语言，通过该语言可获取时间、经纬度、卫星颗数等相关信息。NMEA协议语句格式见表1。

表1 NMEA协议语句格式

GPS-OME接收板在接收GPS信息时将接收大量的数据，但是本文所设计的系统只需要接收时间及位置信息，所需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“，”个数等于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。

在出现故障时，主芯片利用CAN总线技术将获取到的GPS-OME接收的数据传输至总站。CAN总线协议具有无破坏的总线仲裁技术、多机通信等优点，本设计在软件设计过程中采用CAN的电气标准。

由于CAN总线不能直接与PC端实现串口通信，所以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，最终实现系统设计目标。

​3 系统整体测试

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信号接收正常。采集站拨动模拟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况来看，传输时间大概在1s左右，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相差的距离约为30.83m，经换算可得实验纬度误差为0°0'0.0684"，实验所获取的数据与实际数据相比相差1.99m。同理，经度1s相差23.6m，经换算可得实验经度误差为0°0'0.054"，实验所获取的数据与实际数据相比相差1.2744m。实验误差数据见表2。

表2 实验误差数据

目前长距离皮带输送机约20km，多数故障定位系统每隔50m安放一个，根据实验所得的结果，2m的误差完全可以满足实验的需求。经过不同地点的多次实验，系统接收的经纬度信息与实际经纬度信息相近，符合实验要求，达到了预期目标。

4 结论

面对皮带输送机远距离、大容量的发展趋势，故障位置的确定成为保证皮带输送机安全运行的重要环节。通过分析现有故障定位系统的不足，本文提出了基于GPS的露天皮带输送机故障定位系统，由于采用了GPS作为定位工具，可以在故障发生后1s左右获取到精准经纬度信息，定位精度可达2m.

相比现有系统，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时间及安装或更改过程中的工作量，同时解决了现有系统无法得到准确定位信息的问题。选用GPS技术使整个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《电气技术》，论文标题为“基于GPS的露天皮带输送机故障定位系统设计与实现”，作者为郭佳、宗鸣。

如何解决MAX485和RS485发热停止工作的问题？

在使用单片机驱动MAX485、RS485这两颗芯片一段时间后，你是否有遇到过这两颗芯片被烧毁或停止工作的情况？如果你的回答是“是”，那么你来对地方了。你只需遵循以下方法便可以解决这个问题。英锐恩单片机开发工程师表示，通常情况下MAX485或RS485都可以正常工作，甚至可以在一些特殊环境中工作。但是一段时间后会你会发现刚刚还好好的突然间电路就不能正常工作了，就像停止发送数据或停止接收数据一样。经过大量研究发现，造成这种问题的原因有很多。但只要确保你遵循以下准则，电路就能正常工作。一、RS485需要公共接地通常很多人认为RS485是差分总线，因此只需两根线即可工作，因为接收器可以比较这两个电压。英锐恩单片机开发工程师表示，这种想法其实是错误的，所有RS485公共线必须接地。

如果不连接公共接地，即使电路现在正在工作，RS485驱动器也可能随时损坏。这是因为设备之间的电位差可能会很高，因为未连接接地，并且会有更多电流流过A，B线。值得注意的是，如果需要隔离接地，则必须使用隔离式RS485驱动器，而不要使用MAX485等常规驱动器。二、电源接下来，你必须确保电源良好并且在RS485驱动器的额定范围内。如果你的电源受到瞬态噪声和尖峰的影响，请使用适当的电容器、电感器、TVS二极管和MOV便可解决。

英锐恩单片机开发工程师表示，即使它不会对你的芯片或电路造成任何损坏，我们仍然建议在总线上的一个位置上组合使用上拉电阻和下拉电阻来解决此问题。三、使用TVS二极管

由于RS485传输线很长，因此会拾取瞬态噪声非常普遍。因此，建议使用TVS二极管消除A，B和GND之间的共模瞬态电压。有时在高噪声环境中使用时，MAX485会停止工作。不过，一般在电路中增加TVS二极管可解决这个问题。以上就是英锐恩单片机开发工程师分享的有关如何解决MAX485/RS485发热停止工作的问题。英锐恩专注单片机应用方案设计与开发，提供8位单片机、16位单片机、32位单片机、运算放大器和模拟开关。

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