《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 通信與網(wǎng)絡 > 設計應用 > 基于CAN總線的煤礦風機監(jiān)控系統(tǒng)設計
基于CAN總線的煤礦風機監(jiān)控系統(tǒng)設計
微計算機信息
韓芳 朱玉琴
摘要: 煤礦井下風機是對礦井送風的重要設備,風機工作的狀態(tài),關系到對礦井送風的質(zhì)量。目前國內(nèi)大部分礦井采用的風機監(jiān)測還是模擬儀表,工作人員要在現(xiàn)場抄表,在風機出現(xiàn)故障時需要手工切換工作設備,并人工上報故障信息,風機運行的可靠性和實時性都無法滿足需要。
Abstract:
Key words :

  1引言

  煤礦井下風機是對礦井送風的重要設備,風機工作的狀態(tài),關系到對礦井送風的質(zhì)量。目前國內(nèi)大部分礦井采用的風機監(jiān)測還是模擬儀表,工作人員要在現(xiàn)場抄表,在風機出現(xiàn)故障時需要手工切換工作設備,并人工上報故障信息,風機運行的可靠性和實時性都無法滿足需要。

  為保證煤礦井下安全生產(chǎn),需對風機的工作狀態(tài)進行監(jiān)視,并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的風壓、瓦斯氣體含量、溫度等實際情況,有效地控制風機的送風量,既要滿足對現(xiàn)場空氣的要求,為煤礦的安全生產(chǎn)提供可靠保證,也要避免過量送風,降低能源消耗[1]。

  2風機監(jiān)控系統(tǒng)特點

  風機監(jiān)控系統(tǒng)的特點是采用DSP作為核心控制器,用CAN總線通信。DSP控制器將高性能的DSP內(nèi)核和豐富的微控制器外設功能集于單片中,在數(shù)據(jù)處理和自動控制領域得到了廣泛的應用;控制器局域網(wǎng)CAN(ControllerAreaNetwork)能有效地支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡,應用范圍遍及從高速網(wǎng)絡到低成本的多線路網(wǎng)路,尤其適合于控制設備和監(jiān)控設備之間的互連。CAN總線在主從工作方式下總線上最多可掛接110個節(jié)點設備;通信速率最高達1Mbps;傳輸距離最遠達10km。相比其他通信方式具有遠距離通信、高可靠性、擴展性好的優(yōu)點[2]。

  3風機監(jiān)控系統(tǒng)的功能

  3.1參數(shù)采集

 ?。?)電參數(shù)。電參數(shù)包括電壓、電流、有功功率和功率因數(shù)等。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)這些參數(shù)實時監(jiān)測電網(wǎng)電信號的質(zhì)量,并掌握風機所消耗的電能。

 ?。?)溫度。系統(tǒng)需要監(jiān)測電機定子溫度和電機主軸的溫度,取每個主軸的前端和后端作為
溫度監(jiān)測點,同時還要監(jiān)測風機房室內(nèi)和室外溫度。
(3)瓦斯?jié)舛?。風機風筒內(nèi)井口的瓦斯?jié)舛?,反映了井下抽出氣體的瓦斯?jié)舛?,若濃度超標,必須及時增大通風量,稀釋瓦斯。

 ?。?)風量與風壓。風壓與風量是風機重要參數(shù),反映風機的通風能力,流量由壓差計算出。

  3.2風機綜合保護

  礦用風機一般采用冗余結(jié)構(gòu),風機系統(tǒng)由一主一備兩套風機構(gòu)成,且每臺風機配兩臺電動機,通過一個電源切換裝置,還可進行主備電源的切換。風機和電源的冗余結(jié)構(gòu),能夠大大提高風機裝置的可靠性[3]。由于一套風機系統(tǒng)由4臺電機控制,應同時監(jiān)測4臺電機是有否缺相、短路、過載及漏電故障,實現(xiàn)電機綜合保護。

  3.3風機驅(qū)動

  控制風機的風速等級由4臺電機高、低速運行的不同組合控制,不同的瓦斯?jié)舛葐硬煌娘L速等級[4],當風量和風壓不滿足要求時,增大通風量;當有故障或倒機時,啟動備用風機。在溫度、瓦斯超限時報警并啟動備用風機,在保證通風的情況下,保障風機設備安全。當風量達最大時,瓦斯?jié)舛热猿瑯耍藭r實現(xiàn)瓦斯和風電閉鎖,風機停止工作,同時切斷所有電源,防止有電火花使瓦斯爆炸,發(fā)生危險。

  4風機監(jiān)控系統(tǒng)設計

  4.1風機監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

  系統(tǒng)以TI公司的DSP芯片TMS320F2407為系統(tǒng)核心,外圍電路有數(shù)據(jù)采集、存儲電路;通信電路;電機檢測電路;風機控制電路;顯示電路等。風機監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1。所有的開關量參數(shù)經(jīng)光電隔離電路后直接送入DSP的數(shù)據(jù)總線,而傳感器檢測到各種模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP的數(shù)據(jù)總線,參數(shù)在LCD上顯示,并能實現(xiàn)手動控制。

風機監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

  4.2CAN總線通信

  系統(tǒng)對采集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行運算、處理后,控制風機運行狀態(tài),并通過CAN總線發(fā)送給地面監(jiān)控室,同時可接收地面監(jiān)控室的控制指令,實現(xiàn)對風機設備進行遠程控制。作為CAN總線一個分布于現(xiàn)場的通信節(jié)點,每個風機監(jiān)控系統(tǒng)都有自己的CAN總線接口,采用總線掛接式結(jié)構(gòu),與地面主機之間完成信息交換[5]。圖2為CAN總線通信結(jié)構(gòu)框圖。

CAN總線通信結(jié)構(gòu)框圖

  由于TMS320LF2407內(nèi)嵌的CAN總線控制器和CAN總線收發(fā)器PCA82C250可以方便實現(xiàn)與CAN總線接口。82C250是CAN控制器與CAN總線的接口器件,對信號進行差分式的發(fā)送和接收。CAN總線收發(fā)電路見圖4。CANH和CANL是CAN總線的兩條差分接收/發(fā)送復用線路,它們的端點各接一個120?的總線匹配電阻;采用高速光電隔離器6N137,實現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點之間的電氣隔離;由于煤礦電磁干擾嚴重,環(huán)境惡劣,傳輸線采用屏蔽雙絞線,以減少電磁干擾。

CAN總線收發(fā)電路

  5系統(tǒng)軟件設計

   5.1主程序軟件設計

  風機監(jiān)控系統(tǒng)要完成監(jiān)控數(shù)據(jù)采集、存儲、電機檢測、風機控制、數(shù)據(jù)上傳等工作。主程序則完成系統(tǒng)的初始化和各模塊的調(diào)用,流程如圖4所示。在監(jiān)控數(shù)據(jù)采集模塊中,系統(tǒng)循環(huán)檢測電壓、溫度、風壓、瓦斯?jié)舛?、電機的運行狀況等參數(shù),在風機驅(qū)動模塊中,系統(tǒng)對風機進行配置并控制其運行狀態(tài);在通信模塊中,通過CAN總線將監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳到主機。由于煤礦井下環(huán)境惡劣,干擾很大,所以在硬件設計時還應加入硬件抗干擾措施及軟件抗干擾措施,如軟件陷阱、指令冗余、軟件“看門狗”等。

 

主程序軟件設計

  5.2CAN總線通信軟件設計

  系統(tǒng)采用了主從式的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。主機發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令幀,相應的風機監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點發(fā)出返回幀,返回數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)和命令的具體格式就相當于網(wǎng)絡層的協(xié)議。本系統(tǒng)中由于所有總線節(jié)點都為自行設計,所以以CAN2.0A幀結(jié)構(gòu)為基礎,自定義了簡單的CAN總線應用層協(xié)議。通信時,主機向通信節(jié)點發(fā)送信息幀,節(jié)點接收到信息幀后,通過判別標識符來區(qū)別信息幀的類別后,再將主機所需要的數(shù)據(jù)發(fā)送出去,主機同樣也是通過標識符來識別數(shù)據(jù)類型。

  節(jié)點通信軟件分三個部分:CAN初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收。CAN通信協(xié)議的實現(xiàn),包括各種幀的組織和發(fā)送,都由集成在DSP上的CAN總線控制器實現(xiàn)的。首先,應對CAN控制器寫入控制字,進行初始化,即對工作方式、接收濾波寄存器、接收屏蔽寄存器、接收代碼寄存器、波特率參數(shù)等的設置,然后DSP即可通過CAN總線控制器接收/發(fā)送緩存區(qū)向物理總線接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)的過程是:DSP將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按CAN格式組成一幀報文,寫入CAN總線控制器的發(fā)送緩沖區(qū),然后把數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上去;接收報文的過程是:CAN總線控制器從總線上自動接收報文,并經(jīng)過過濾后存入接收緩沖區(qū),并向DSP發(fā)出中斷請求,DSP從緩沖區(qū)讀取報文。

  6結(jié)束語

  設計的創(chuàng)新點在于針對當前煤礦生產(chǎn)實際,開發(fā)了基于CAN總線的煤礦風機監(jiān)控系統(tǒng),采用DSP芯片進行數(shù)據(jù)處理和自動控制,采用CAN總線實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)采集與控制,可以將DSP的高速性和CAN總線通信的可靠性、實時性有效結(jié)合起來。系統(tǒng)能夠采集煤礦井下多種環(huán)境參數(shù),記錄風機運行狀況,并控制風機運行狀態(tài)的,有效保障煤礦安全生產(chǎn)。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。