dsPIC30F5011在煤礦風(fēng)機(jī)監(jiān)控分站中的應(yīng)用

陳 敏，唐治德

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400030）

我國46%的煤礦屬于高瓦斯煤礦，采掘時(shí)極易發(fā)生瓦斯爆炸現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的瓦斯爆炸事故已占煤礦事故的80%以上，所造成的傷亡人數(shù)為煤礦事故傷亡人數(shù)的90%，所以礦井通風(fēng)是煤礦生產(chǎn)安全的重點(diǎn)。礦井通風(fēng)機(jī)是煤礦保證井下安全生產(chǎn)必不可少的大型機(jī)電設(shè)備，起到排除礦井中粉塵和污濁氣體，降低瓦斯?jié)舛鹊茸饔茫溥\(yùn)行情況直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)。煤礦風(fēng)機(jī)系統(tǒng)均為雙風(fēng)機(jī)雙電源的通風(fēng)供電方式，為了避免一臺(tái)風(fēng)機(jī)長期連續(xù)運(yùn)行，而另一臺(tái)不運(yùn)行的情況，必須對(duì)風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。煤礦自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)能有效降低煤礦生產(chǎn)的能源消耗，避免兩臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)投入或同時(shí)卸載的情況。將并網(wǎng)運(yùn)行的主備風(fēng)機(jī)集中進(jìn)行監(jiān)測控制，充分發(fā)揮各風(fēng)機(jī)的性能，使系統(tǒng)在保證礦井通風(fēng)的前提下，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能與風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的均等，以延長壓風(fēng)機(jī)的使用壽命，亦便于壓風(fēng)機(jī)的維護(hù)。

本文介紹基于dsPIC30F5011單片機(jī)在風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備中的應(yīng)用，設(shè)備對(duì)風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及通風(fēng)環(huán)境各種相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并傳送數(shù)據(jù)到地面中心監(jiān)測站，中心監(jiān)測站根據(jù)分站采集的數(shù)據(jù)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行規(guī)程規(guī)定實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的起停控制與風(fēng)速調(diào)節(jié)。

1 風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)圖

煤礦風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由地面中心站、風(fēng)機(jī)監(jiān)控分站、溫度傳感器、瓦斯傳感器、開停傳感器、電壓傳感器、風(fēng)速傳感器、防爆開關(guān)等設(shè)備組成。

（1）風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能。風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要是監(jiān)測礦井風(fēng)速大小，并根據(jù)礦井的瓦斯?jié)舛却笮≌{(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，改變礦井的風(fēng)流風(fēng)量，保證礦井通風(fēng)正常。同時(shí)該系統(tǒng)可以對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行適時(shí)監(jiān)控，保證風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好。

（2）地面中心站。地面中心站主要由監(jiān)控主機(jī)和中心站軟件組成。地面中心站具有收集數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置、與風(fēng)機(jī)監(jiān)控分站通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警、顯示、打印、數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線、故障查詢等功能。

（3）傳感器。風(fēng)機(jī)運(yùn)行是否穩(wěn)定，必須對(duì)風(fēng)機(jī)軸承的溫度、風(fēng)機(jī)的電壓進(jìn)行監(jiān)控。開停傳感器用來反饋風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否與中心站控制方式一致；風(fēng)速傳感器可以監(jiān)測礦井風(fēng)速的大小是否符合礦井通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)；瓦斯傳感器可以監(jiān)測礦井瓦斯?jié)舛取?/p>

（4）防爆開關(guān)。防爆開關(guān)是整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

（5）監(jiān)控分站。由風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，地面中心站在該系統(tǒng)中起到了連接各種子設(shè)備與中心監(jiān)控軟件的重要作用。地面中心站由工控機(jī)與系統(tǒng)監(jiān)控軟件組成。系統(tǒng)監(jiān)控軟件在工控機(jī)上長期運(yùn)行，負(fù)責(zé)與風(fēng)機(jī)監(jiān)控分站進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理，并與用戶設(shè)置參數(shù)相比較，對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制。

因此監(jiān)控分站性能的優(yōu)越性是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，對(duì)于該設(shè)備的研制必須采用性能穩(wěn)定、功能完善的單片機(jī)，而微芯公司的dsPIC30F5011單片機(jī)性能完全能滿足該設(shè)計(jì)方案。

2 監(jiān)控分站功能結(jié)構(gòu)分析

風(fēng)機(jī)監(jiān)控是指分站通過各種采集手段把有害氣體傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、開停傳感器等傳感器的數(shù)值或者運(yùn)行狀態(tài)收集到主系統(tǒng)中，然后由主系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)理想運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)相比較，做出比較適合現(xiàn)場的相應(yīng)聯(lián)動(dòng)控制，以達(dá)到預(yù)期的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)該系統(tǒng)把所有的運(yùn)行情況通過總線通訊傳輸?shù)降孛嬷行谋O(jiān)測軟件保存，以方便查詢。該設(shè)備包含以下幾個(gè)部分：①CPU部分；②開關(guān)電源芯片34063為主控制器提供工作電源；③1302時(shí)鐘芯片，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘服務(wù)；④撥碼開關(guān)設(shè)置采集器地址；⑤485通訊；⑥數(shù)據(jù)采集；⑦中文液晶顯示：為方便井下安裝維護(hù)，采集器采用中文液晶顯示，顯示該系統(tǒng)的所有采集控制信息。

3 監(jiān)控分站硬件設(shè)計(jì)

（1）硬件原理框圖見圖1。

圖1 硬件原理框圖

（2）工作電源。由于井下所能提供的工作電源為24V本質(zhì)安全電源，而該采集器中所有芯片使用電源為5V電源。24V電源降壓為5V電源的壓差太大，采用線性電源設(shè)備自身耗電大，為減小設(shè)備功耗，該系統(tǒng)采用開關(guān)電源以便減少設(shè)備自身功耗，由于開關(guān)電源芯片34063的效率比線性電源功率高、外圍電路簡單、紋波系數(shù)控制簡單，因此該設(shè)備選用34063開關(guān)電源為電源芯片。

（3）CPU電路。該分站采用 MICROCHIP公司生產(chǎn)的DSPIC30F5011高性能芯片。經(jīng)過多年使用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，該芯片在工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中性能穩(wěn)定；基于C語言編程，指令少，應(yīng)用方便，程序便于移植，是工程控制應(yīng)用里要求開發(fā)周期短、性能穩(wěn)定的可選產(chǎn)品之一。

（4）時(shí)鐘信號(hào)。采用1302時(shí)鐘芯片，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘服務(wù)；考慮井下各種事件不規(guī)律性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)以及查詢事件發(fā)生時(shí)間的需要，該系統(tǒng)增加了時(shí)鐘，保證每次與地面中心軟件通訊時(shí)跟上時(shí)間信號(hào)。時(shí)鐘定時(shí)由地面中心軟件進(jìn)行定時(shí)效對(duì)。

（5）撥碼開關(guān)設(shè)置采集器地址。由于通訊需要，設(shè)備必須帶地址。最初考慮紅外設(shè)置設(shè)備地址，但煤礦井下干擾信號(hào)太嚴(yán)重，時(shí)常導(dǎo)致系統(tǒng)由于干擾的原因進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，影響通訊。撥碼開關(guān)設(shè)置地址方便不容易受干擾。

（6）采用485通訊。485總線通訊方式傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸性能比較穩(wěn)定。控制器UART信號(hào)經(jīng)過6N137光電隔離后，經(jīng)MAX1487轉(zhuǎn)換為485通訊，與地面中心軟件實(shí)現(xiàn)通訊；

（7）數(shù)據(jù)采集。利用PIC30F5011微控器獨(dú)特的頻率采集功能，采集相鄰兩個(gè)脈沖信號(hào)的上升沿時(shí)間t，采集10個(gè)t,進(jìn)行數(shù)字濾波，得到實(shí)際需要的頻率信號(hào)，對(duì)該信號(hào)數(shù)制轉(zhuǎn)換得到所需要的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換十六進(jìn)制后通過RS485通訊方式傳送到地面中心監(jiān)測軟件，中心站轉(zhuǎn)換該數(shù)據(jù)為十進(jìn)制顯示。

（8）使用中文液晶顯示。為方便井下安裝維護(hù)，采集器采用中文液晶顯示，顯示所有相關(guān)于該系統(tǒng)的采集控制信息。

（9）PCB抗干擾設(shè)計(jì)。在PCB制作時(shí)，由于使用的開關(guān)電源芯片，具有一定的干擾信號(hào)，所以要求電源要距離單片機(jī)大于2mm的距離，并且保證該電源輸出的紋波系數(shù)小于20mVp-p，以保證對(duì)單片機(jī)不造成干擾，從而避免單片機(jī)頻繁復(fù)位；PCB銅線的寬度要適合電流的強(qiáng)度；布線時(shí)線與線的間距足夠大，盡量保持相互之間無干擾；二層PCB布線盡量保證兩面線之間是垂直的，減少平行線；PCB的邊沿線距離板子邊沿要大于2mm的間距，防止電磁干擾及方便PCB焊接。

4 軟件設(shè)計(jì)

在軟件方面，使用軟件看門狗技術(shù)以及數(shù)字濾波技術(shù)。DSPIC30F5011單片機(jī)中自帶看門狗定時(shí)器，程序定期喂狗，當(dāng)程序跑飛定時(shí)器溢出時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)重啟本設(shè)備，保證設(shè)備不會(huì)長期處于死機(jī)狀態(tài)。在A/D數(shù)據(jù)采集時(shí)，考慮井下環(huán)境的惡劣性，數(shù)據(jù)采集采用中位值平均濾波法。連續(xù)采集12個(gè)信號(hào)值，然后去掉最大與最小值，最后累加10個(gè)數(shù)值之和除以10得到分站采集的傳感器的有效數(shù)據(jù)。該種濾波方法有效的消除由于環(huán)境因素導(dǎo)致的瞬間干擾脈沖，有效地杜絕了由于環(huán)境干擾引起的傳感器數(shù)值瞬間變化的問題。

5 結(jié)語

大量實(shí)驗(yàn)表明，該分站在各個(gè)礦風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)的軸溫監(jiān)視、風(fēng)機(jī)電流電壓監(jiān)視、礦井風(fēng)速監(jiān)測、瓦斯氣體濃度的監(jiān)測，根據(jù)瓦斯氣體濃度大小以及井下風(fēng)速的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)速大小；根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)切換風(fēng)機(jī)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使煤礦風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了無人值守、降低能耗、運(yùn)行穩(wěn)定及降低設(shè)備損耗等功能，延長了設(shè)備的使用壽命。在煤礦使用期間得到廣大煤礦用戶的好評(píng)。

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