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1 引言 煤礦井下風(fēng)機(jī)是對礦井送風(fēng)的重要設(shè)備，風(fēng)機(jī)工作的狀態(tài)，關(guān)系到對礦井送風(fēng)的質(zhì)量。目前國內(nèi)大部分礦井采用的風(fēng)機(jī)監(jiān)測還是模擬儀表，工作人員要在現(xiàn)場抄表，在風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時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)時性都無法滿足需要。 為保證煤礦井下安全生產(chǎn)，需對風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并根據(jù)現(xiàn)場環(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(fēng)，降低能源消耗 。 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總線在主從工作方式下總線上最多可掛接 110個節(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)。 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)時監(jiān)測電網(wǎng)電信號的質(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)測電機(jī)定子溫度和電機(jī)主軸的溫度，取每個主軸的前端和后端作為溫度監(jiān)測點(diǎn)，同時還要監(jiān)測風(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)舛龋从沉司鲁槌鰵怏w的瓦斯?jié)舛龋魸舛瘸瑯?biāo)，必須及時增大通風(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，且每臺風(fēng)機(jī)配兩臺電動機(jī)，通過一個電源切換裝置，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。由于一套風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由 4臺電機(jī)控制，應(yīng)同時監(jiān)測 4臺電機(jī)是有否缺相、短路、過載及漏電故障，實(shí)現(xiàn)電機(jī)綜合保護(hù)。 3.3 風(fēng)機(jī)驅(qū)動控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)速等級 由4臺電機(jī)高、低速運(yùn)行的不同組合控制，不同的瓦斯?jié)舛葐硬煌娘L(fēng)速等級，當(dāng)風(fēng)量和風(fēng)壓不滿足要求時，增大通風(fēng)量；當(dāng)有故障或倒機(jī)時，啟動備用風(fēng)機(jī)。在溫度、瓦斯超限時報(bào)警并啟動備用風(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，瓦斯?jié)舛热猿瑯?biāo)，此時實(shí)現(xiàn)瓦斯和風(fēng)電閉鎖，風(fēng)機(jī)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(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、存儲電路；通信電路；電機(jī)檢測電路；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)見圖1。所有的開關(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，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(shí)現(xiàn)手動控制。 4.2 CAN總線通信 系統(tǒng)對采集到的監(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 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(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。作為 CAN總線一個分布于現(xiàn)場的通信節(jié)點(diǎn)，每個風(fēng)機(jī)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(jī)之間完成信息交換。圖 2為 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(shí)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(jìn)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(fù)用線路，它們的端點(diǎn)各接一個 120?的總線匹配電阻；采用高速光電隔離器 6N137，實(shí)現(xiàn)總線上各 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，傳輸線采用屏蔽雙絞線，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、電機(jī)檢測、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)動模塊中，系統(tǒng)對風(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CAN總線將監(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“ 看門狗”等。 5.2 CAN總線通信軟件設(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)，自定義了簡單的 CAN總線應(yīng)用層協(xié)議。通信時，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，通過判別標(biāo)識符來區(qū)別信息幀的類別后，再將主機(jī)所需要的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，主機(jī)同樣也是通過標(biāo)識符來識別數(shù)據(jù)類型。 節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)，包括各種幀的組織和發(fā)送，都由集成在 DSP上的 CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)的。首先，應(yīng)對 CAN控制器寫入控制字，進(jìn)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(shè)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(bào)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(bào)文的過程是：CAN總線控制器從總線上自動接收報(bào)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(bào)文。 6 結(jié)束語 設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于針對當(dāng)前煤礦生產(chǎn)實(shí)際，開發(fā)了基于 CAN總線的煤礦風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，采用 DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和自動控制，采用 CAN總線實(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總線通信的可靠性、實(shí)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(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)。 |
