基于CAN總線的煤礦風機監控系統設計

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，關系到對礦井送風的質量。目前國內大部分礦井采用的風機監測還是模擬儀表，工作人員要在現場抄表，在風機出現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，需對風機的工作狀態進行監視，并根據現場環境的風壓、瓦斯氣體含量、溫度等實際情況，有效地控制風機的送風量，既要滿足對現場空氣的要求，為煤礦的安全生產提供可靠保證，也要避免過量送風，降低能源消耗 [1]。

2 風機監控系統特點

??? 風機監控系統的特點是采用 DSP作為核心控制器，用 CAN總線通信。DSP控制器將高性能的 DSP內核和豐富的微控制器外設功能集于單片中，在數據處理和自動控制領域得到了廣泛的應用；控制器局域網 CAN（Controller Area Network）能有效地支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，應用范圍遍及從高速網絡到低成本的多線路網路，尤其適合于控制設備和監控設備之間的互連。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、擴展性好的優點[2]。

3 風機監控系統的功能

?? 3.1 參數采集

（1）電參數。電參數包括電壓、電流、有功功率和功率因數等。監控系統根據這些參數實時監測電網電信號的質量，并掌握風機所消耗的電能。

（2）溫度。系統需要監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測點，同時還要監測風機房室內和室外溫度。

（3）瓦斯濃度。風機風筒內井口的瓦斯濃度，反映了井下抽出氣體的瓦斯濃度，若濃度超標，必須及時增大通風量，稀釋瓦斯。

（4）風量與風壓。風壓與風量是風機重要參數，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構，風機系統由一主一備兩套風機構成，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構，能夠大大提高風機裝置的可靠性[3]。由于一套風機系統由 4臺電機控制，應同時監測 4臺電機是有否缺相、短路、過載及漏電故障，實現電機綜合保護。

3.3 風機驅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，不同的瓦斯濃度啟動不同的風速等級[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，瓦斯濃度仍超標，此時實現瓦斯和風電閉鎖，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，發生危險。

4 風機監控系統設計

4.1 風機監控系統的結構

??? 系統以TI公司的DSP芯片TMS320F2407為系統核心，外圍電路有數據采集、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。風機監控系統的結構見圖1。所有的開關量參數經光電隔離電路后直接送入DSP的數據總線，而傳感器檢測到各種模擬信號經 A/D轉換后送入DSP的數據總線，參數在 LCD上顯示，并能實現手動控制。?

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4.2 CAN總線通信

??? 系統對采集到的監控數據進行運算、處理后，控制風機運行狀態，并通過 CAN總線發送給地面監控室，同時可接收地面監控室的控制指令，實現對風機設備進行遠程控制。作為 CAN總線一個分布于現場的通信節點，每個風機監控系統都有自己的 CAN總線接口，采用總線掛接式結構，與地面主機之間完成信息交換[5]。圖 2為 CAN總線通信結構框圖。

??? 由于 TMS320LF2407內嵌的 CAN總線控制器和 CAN總線收發器 PCA82C250可以方便實現與 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送和接收。CAN總線收發電路見圖 4。CANH和 CANL是 CAN總線的兩條差分接收/發送復用線路，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，實現總線上各 CAN節點之間的電氣隔離；由于煤礦電磁干擾嚴重，環境惡劣，傳輸線采用屏蔽雙絞線，以減少電磁干擾。

5 系統軟件設計

?5.1主程序軟件設計

??? 風機監控系統要完成監控數據采集、存儲、電機檢測、風機控制、數據上傳等工作。主程序則完成系統的初始化和各模塊的調用，流程如圖4所示。在監控數據采集模塊中，系統循環檢測電壓、溫度、風壓、瓦斯濃度、電機的運行狀況等參數，在風機驅動模塊中，系統對風機進行配置并控制其運行狀態；在通信模塊中，通過CAN總線將監控數據上傳到主機。由于煤礦井下環境惡劣，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。?

5.2 CAN總線通信軟件設計

??? 系統采用了主從式的網絡結構。主機發送數據請求命令幀，相應的風機監控系統節點發出返回幀，返回數據信息。數據和命令的具體格式就相當于網絡層的協議。本系統中由于所有總線節點都為自行設計，所以以 CAN 2.0A幀結構為基礎，自定義了簡單的 CAN總線應用層協議。通信時，主機向通信節點發送信息幀，節點接收到信息幀后，通過判別標識符來區別信息幀的類別后，再將主機所需要的數據發送出去，主機同樣也是通過標識符來識別數據類型。

??? 節點通信軟件分三個部分：CAN初始化、數據發送、數據接收。 CAN通信協議的實現，包括各種幀的組織和發送，都由集成在 DSP上的 CAN總線控制器實現的。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、波特率參數等的設置，然后 DSP即可通過 CAN總線控制器接收/發送緩存區向物理總線接收和發送數據。發送數據的過程是： DSP將待發送的數據按 CAN 格式組成一幀報文，寫入 CAN總線控制器的發送緩沖區，然后把數據發送到總線上去；接收報文的過程是：CAN總線控制器從總線上自動接收報文，并經過過濾后存入接收緩沖區，并向 DSP發出中斷請求，DSP從緩沖區讀取報文。

6 結束語

???? 設計的創新點在于針對當前煤礦生產實際，開發了基于 CAN總線的煤礦風機監控系統，采用 DSP芯片進行數據處理和自動控制，采用 CAN總線實現分布式數據采集與控制，可以將 DSP的高速性和 CAN總線通信的可靠性、實時性有效結合起來。系統能夠采集煤礦井下多種環境參數，記錄風機運行狀況，并控制風機運行狀態的，有效保障煤礦安全生產。