基于CAN總線(xiàn)的煤礦風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

??? 煤礦井下風(fēng)機(jī)是對(duì)礦井送風(fēng)的重要設(shè)備，風(fēng)機(jī)工作的狀態(tài)，關(guān)系到對(duì)礦井送風(fēng)的質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)大部分礦井采用的風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)還是模擬儀表，工作人員要在現(xiàn)場(chǎng)抄表，在風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)需要手工切換工作設(shè)備，并人工上報(bào)故障信息，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性和實(shí)時(shí)性都無(wú)法滿(mǎn)足需要。

??? 為保證煤礦井下安全生產(chǎn)，需對(duì)風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的風(fēng)壓、瓦斯氣體含量、溫度等實(shí)際情況，有效地控制風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，既要滿(mǎn)足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)量送風(fēng)，降低能源消耗 [1]。

2 風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)

??? 風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用 DSP作為核心控制器，用 CAN總線(xiàn)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(shè)功能集于單片中，在數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用；控制器局域網(wǎng) CAN（Controller Area Network）能有效地支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線(xiàn)路網(wǎng)路，尤其適合于控制設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備之間的互連。CAN總線(xiàn)在主從工作方式下總線(xiàn)上最多可掛接 110個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備；通信速率最高達(dá) 1Mbps；傳輸距離最遠(yuǎn)達(dá) 10km。相比其他通信方式具有遠(yuǎn)距離通信、高可靠性、擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)[2]。

3 風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能

?? 3.1 參數(shù)采集

（1）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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電信號(hào)的質(zhì)量，并掌握風(fēng)機(jī)所消耗的電能。

（2）溫度。系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)電機(jī)定子溫度和電機(jī)主軸的溫度，取每個(gè)主軸的前端和后端作為溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)還要監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)房室內(nèi)和室外溫度。

（3）瓦斯?jié)舛取ｏL(fēng)機(jī)風(fēng)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?biāo)，必須及時(shí)增大通風(fēng)量，稀釋瓦斯。

（4）風(fēng)量與風(fēng)壓。風(fēng)壓與風(fēng)量是風(fēng)機(jī)重要參數(shù)，反映風(fēng)機(jī)的通風(fēng)能力，流量由壓差計(jì)算出。

3.2 風(fēng)機(jī)綜合保護(hù)

??? 礦用風(fēng)機(jī)一般采用冗余結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由一主一備兩套風(fēng)機(jī)構(gòu)成，且每臺(tái)風(fēng)機(jī)配兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)一個(gè)電源切換裝置，還可進(jìn)行主備電源的切換。風(fēng)機(jī)和電源的冗余結(jié)構(gòu)，能夠大大提高風(fēng)機(jī)裝置的可靠性[3]。由于一套風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由 4臺(tái)電機(jī)控制，應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè) 4臺(tái)電機(jī)是有否缺相、短路、過(guò)載及漏電故障，實(shí)現(xiàn)電機(jī)綜合保護(hù)。

3.3 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)速等級(jí)

??? 由4臺(tái)電機(jī)高、低速運(yùn)行的不同組合控制，不同的瓦斯?jié)舛葐?dòng)不同的風(fēng)速等級(jí)[4]，當(dāng)風(fēng)量和風(fēng)壓不滿(mǎn)足要求時(shí)，增大通風(fēng)量；當(dāng)有故障或倒機(jī)時(shí)，啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)。在溫度、瓦斯超限時(shí)報(bào)警并啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)，在保證通風(fēng)的情況下，保障風(fēng)機(jī)設(shè)備安全。當(dāng)風(fēng)量達(dá)最大時(shí)，瓦斯?jié)舛热猿瑯?biāo)，此時(shí)實(shí)現(xiàn)瓦斯和風(fēng)電閉鎖，風(fēng)機(jī)停止工作，同時(shí)切斷所有電源，防止有電火花使瓦斯爆炸，發(fā)生危險(xiǎn)。

4 風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 風(fēng)機(jī)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(chǔ)電路；通信電路；電機(jī)檢測(cè)電路；風(fēng)機(jī)控制電路；顯示電路等。風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。所有的開(kāi)關(guān)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(xiàn)，而傳感器檢測(cè)到各種模擬信號(hào)經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP的數(shù)據(jù)總線(xiàn)，參數(shù)在 LCD上顯示，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。?

?

4.2 CAN總線(xiàn)通信

??? 系統(tǒng)對(duì)采集到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理后，控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò) CAN總線(xiàn)發(fā)送給地面監(jiān)控室，同時(shí)可接收地面監(jiān)控室的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。作為 CAN總線(xiàn)一個(gè)分布于現(xiàn)場(chǎng)的通信節(jié)點(diǎn)，每個(gè)風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)都有自己的 CAN總線(xiàn)接口，采用總線(xiàn)掛接式結(jié)構(gòu)，與地面主機(jī)之間完成信息交換[5]。圖 2為 CAN總線(xiàn)通信結(jié)構(gòu)框圖。

??? 由于 TMS320LF2407內(nèi)嵌的 CAN總線(xiàn)控制器和 CAN總線(xiàn)收發(fā)器 PCA82C250可以方便實(shí)現(xiàn)與 CAN總線(xiàn)接口。 82C250是 CAN控制器與 CAN總線(xiàn)的接口器件，對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分式的發(fā)送和接收。CAN總線(xiàn)收發(fā)電路見(jiàn)圖 4。CANH和 CANL是 CAN總線(xiàn)的兩條差分接收/發(fā)送復(fù)用線(xiàn)路，它們的端點(diǎn)各接一個(gè) 120?的總線(xiàn)匹配電阻；采用高速光電隔離器 6N137，實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)上各 CAN節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離；由于煤礦電磁干擾嚴(yán)重，環(huán)境惡劣，傳輸線(xiàn)采用屏蔽雙絞線(xiàn)，以減少電磁干擾。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

?5.1主程序軟件設(shè)計(jì)

??? 風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)要完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、電機(jī)檢測(cè)、風(fēng)機(jī)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?cái)?shù)據(jù)采集模塊中，系統(tǒng)循環(huán)檢測(cè)電壓、溫度、風(fēng)壓、瓦斯?jié)舛取㈦姍C(jī)的運(yùn)行狀況等參數(shù)，在風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行配置并控制其運(yùn)行狀態(tài)；在通信模塊中，通過(guò)CAN總線(xiàn)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳到主機(jī)。由于煤礦井下環(huán)境惡劣，干擾很大，所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)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(mén)狗”等。?

5.2 CAN總線(xiàn)通信軟件設(shè)計(jì)

??? 系統(tǒng)采用了主從式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令幀，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出返回幀，返回?cái)?shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)和命令的具體格式就相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議。本系統(tǒng)中由于所有總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)都為自行設(shè)計(jì)，所以以 CAN 2.0A幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，自定義了簡(jiǎn)單的 CAN總線(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議。通信時(shí)，主機(jī)向通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息幀，節(jié)點(diǎn)接收到信息幀后，通過(guò)判別標(biāo)識(shí)符來(lái)區(qū)別信息幀的類(lèi)別后，再將主機(jī)所需要的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，主機(jī)同樣也是通過(guò)標(biāo)識(shí)符來(lái)識(shí)別數(shù)據(jù)類(lèi)型。

??? 節(jié)點(diǎn)通信軟件分三個(gè)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(shí)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(xiàn)控制器實(shí)現(xiàn)的。首先，應(yīng)對(duì) CAN控制器寫(xiě)入控制字，進(jìn)行初始化，即對(duì)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(shè)置，然后 DSP即可通過(guò) CAN總線(xiàn)控制器接收/發(fā)送緩存區(qū)向物理總線(xiàn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程是： DSP將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按 CAN 格式組成一幀報(bào)文，寫(xiě)入 CAN總線(xiàn)控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送到總線(xiàn)上去；接收?qǐng)?bào)文的過(guò)程是：CAN總線(xiàn)控制器從總線(xiàn)上自動(dòng)接收?qǐng)?bào)文，并經(jīng)過(guò)過(guò)濾后存入接收緩沖區(qū)，并向 DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求，DSP從緩沖區(qū)讀取報(bào)文。

6 結(jié)束語(yǔ)

???? 設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于針對(duì)當(dāng)前煤礦生產(chǎn)實(shí)際，開(kāi)發(fā)了基于 CAN總線(xiàn)的煤礦風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，采用 DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)控制，采用 CAN總線(xiàn)實(shí)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(xiàn)通信的可靠性、實(shí)時(shí)性有效結(jié)合起來(lái)。系統(tǒng)能夠采集煤礦井下多種環(huán)境參數(shù)，記錄風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況，并控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的，有效保障煤礦安全生產(chǎn)。