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

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
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
风机
监控系统
控制器局域网总线
煤矿安全

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved