基于CAN总线的煤矿风机监控系统设计

2009-10-30 16:14:40来源: 微计算机信息 关键字:风机  监控系统  控制器局域网总线  煤矿安全

1 引言

    煤矿井下风机是对矿井送风的重要设备,风机工作的状态,关系到对矿井送风的质量。目前国内大部分矿井采用的风机监测还是模拟仪表,工作人员要在现场抄表,在风机出现故障时需要手工切换工作设备,并人工上报故障信息,风机运行的可靠性和实时性都无法满足需要。

    为保证煤矿井下安全生产,需对风机的工作状态进行监视,并根据现场环境的风压、瓦斯气体含量、温度等实际情况,有效地控制风机的送风量,既要满足对现场空气的要求,为煤矿的安全生产提供可靠保证,也要避免过量送风,降低能源消耗 [1]。

2 风机监控系统特点

    风机监控系统的特点是采用 DSP作为核心控制器,用 CAN总线通信。DSP控制器将高性能的 DSP内核和丰富的微控制器外设功能集于单片中,在数据处理和自动控制领域得到了广泛的应用;控制器局域网 CAN(Controller Area Network)能有效地支持分布式控制和实时控制的串行通信网络,应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网路,尤其适合于控制设备和监控设备之间的互连。CAN总线在主从工作方式下总线上最多可挂接 110个节点设备;通信速率最高达 1Mbps;传输距离最远达 10km。相比其他通信方式具有远距离通信、高可靠性、扩展性好的优点[2]。

3 风机监控系统的功能

   3.1 参数采集

(1)电参数。电参数包括电压、电流、有功功率和功率因数等。监控系统根据这些参数实时监测电网电信号的质量,并掌握风机所消耗的电能。

(2)温度。系统需要监测电机定子温度和电机主轴的温度,取每个主轴的前端和后端作为温度监测点,同时还要监测风机房室内和室外温度。

(3)瓦斯浓度。风机风筒内井口的瓦斯浓度,反映了井下抽出气体的瓦斯浓度,若浓度超标,必须及时增大通风量,稀释瓦斯。

(4)风量与风压。风压与风量是风机重要参数,反映风机的通风能力,流量由压差计算出。

3.2 风机综合保护

    矿用风机一般采用冗余结构,风机系统由一主一备两套风机构成,且每台风机配两台电动机,通过一个电源切换装置,还可进行主备电源的切换。风机和电源的冗余结构,能够大大提高风机装置的可靠性[3]。由于一套风机系统由 4台电机控制,应同时监测 4台电机是有否缺相、短路、过载及漏电故障,实现电机综合保护。

3.3 风机驱动控制风机的风速等级

    由4台电机高、低速运行的不同组合控制,不同的瓦斯浓度启动不同的风速等级[4],当风量和风压不满足要求时,增大通风量;当有故障或倒机时,启动备用风机。在温度、瓦斯超限时报警并启动备用风机,在保证通风的情况下,保障风机设备安全。当风量达最大时,瓦斯浓度仍超标,此时实现瓦斯和风电闭锁,风机停止工作,同时切断所有电源,防止有电火花使瓦斯爆炸,发生危险。

4 风机监控系统设计

4.1 风机监控系统的结构

    系统以TI公司的DSP芯片TMS320F2407为系统核心,外围电路有数据采集、存储电路;通信电路;电机检测电路;风机控制电路;显示电路等。风机监控系统的结构见图1。所有的开关量参数经光电隔离电路后直接送入DSP的数据总线,而传感器检测到各种模拟信号经 A/D转换后送入DSP的数据总线,参数在 LCD上显示,并能实现手动控制。 

 

4.2 CAN总线通信

    系统对采集到的监控数据进行运算、处理后,控制风机运行状态,并通过 CAN总线发送给地面监控室,同时可接收地面监控室的控制指令,实现对风机设备进行远程控制。作为 CAN总线一个分布于现场的通信节点,每个风机监控系统都有自己的 CAN总线接口,采用总线挂接式结构,与地面主机之间完成信息交换[5]。图 2为 CAN总线通信结构框图。

    由于 TMS320LF2407内嵌的 CAN总线控制器和 CAN总线收发器 PCA82C250可以方便实现与 CAN总线接口。 82C250是 CAN控制器与 CAN总线的接口器件,对信号进行差分式的发送和接收。CAN总线收发电路见图 4。CANH和 CANL是 CAN总线的两条差分接收/发送复用线路,它们的端点各接一个 120Ω的总线匹配电阻;采用高速光电隔离器 6N137,实现总线上各 CAN节点之间的电气隔离;由于煤矿电磁干扰严重,环境恶劣,传输线采用屏蔽双绞线,以减少电磁干扰。

5 系统软件设计

 5.1主程序软件设计

    风机监控系统要完成监控数据采集、存储、电机检测、风机控制、数据上传等工作。主程序则完成系统的初始化和各模块的调用,流程如图4所示。在监控数据采集模块中,系统循环检测电压、温度、风压、瓦斯浓度、电机的运行状况等参数,在风机驱动模块中,系统对风机进行配置并控制其运行状态;在通信模块中,通过CAN总线将监控数据上传到主机。由于煤矿井下环境恶劣,干扰很大,所以在硬件设计时还应加入硬件抗干扰措施及软件抗干扰措施,如软件陷阱、指令冗余、软件“ 看门狗”等。 


5.2 CAN总线通信软件设计

    系统采用了主从式的网络结构。主机发送数据请求命令帧,相应的风机监控系统节点发出返回帧,返回数据信息。数据和命令的具体格式就相当于网络层的协议。本系统中由于所有总线节点都为自行设计,所以以 CAN 2.0A帧结构为基础,自定义了简单的 CAN总线应用层协议。通信时,主机向通信节点发送信息帧,节点接收到信息帧后,通过判别标识符来区别信息帧的类别后,再将主机所需要的数据发送出去,主机同样也是通过标识符来识别数据类型。

    节点通信软件分三个部分:CAN初始化、数据发送、数据接收。 CAN通信协议的实现,包括各种帧的组织和发送,都由集成在 DSP上的 CAN总线控制器实现的。首先,应对 CAN控制器写入控制字,进行初始化,即对工作方式、接收滤波寄存器、接收屏蔽寄存器、接收代码寄存器、波特率参数等的设置,然后 DSP即可通过 CAN总线控制器接收/发送缓存区向物理总线接收和发送数据。发送数据的过程是: DSP将待发送的数据按 CAN 格式组成一帧报文,写入 CAN总线控制器的发送缓冲区,然后把数据发送到总线上去;接收报文的过程是:CAN总线控制器从总线上自动接收报文,并经过过滤后存入接收缓冲区,并向 DSP发出中断请求,DSP从缓冲区读取报文。

6 结束语

     设计的创新点在于针对当前煤矿生产实际,开发了基于 CAN总线的煤矿风机监控系统,采用 DSP芯片进行数据处理和自动控制,采用 CAN总线实现分布式数据采集与控制,可以将 DSP的高速性和 CAN总线通信的可靠性、实时性有效结合起来。系统能够采集煤矿井下多种环境参数,记录风机运行状况,并控制风机运行状态的,有效保障煤矿安全生产。

关键字:风机  监控系统  控制器局域网总线  煤矿安全

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2009/1030/article_2255.html
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