基于CAN总线的煤矿风机监控系统设计

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。