基于单片机的煤矿井下安全监测系统设计

收稿日期:2009-04-17作者简介:赵晓妍(1979)),女,黑龙江哈尔滨人,助教,2004年毕业于黑龙江科技学院,现从事电气控制方向的教学与研究工作。

基于单片机的煤矿井下安全监测系统设计赵晓妍,苗 宇(黑龙江科技学院电气与信息工程学院,黑龙江哈尔滨 150027)摘要:介绍了一种基于M SP 430F 149单片机作为核心控制器件的井下安全监测系统,该系统主要由井下智能终端和井上的上位机监控中心组成。

该系统可以完成井下电力参数和环境参数的实时监测和显示,出现故障或者危险时能及时报警。

上位机与智能终端采用串行通信实现矿井与监控中心的数据传送。

该系统实现简单,通信成本低,抗干扰能力强,可靠性高,有较高的推广应用价值。

关键词:M SP430F149单片机;智能终端;上位机;监测系统中图分类号:TD 76 文献标识码:A 文章编号:1003-0506(2009)06-0019-02Design on UndergroundM ine Security M onitori n g Syste m Based on S C MZHAO X iao -yan ,M I A O Yu(E lectrical and Infor m ation E ngineer i ng C olle ge ,H eilongjiang Institute of Science and T ec hno logy,H aerb i n 150027,China)Abstrac t :T he paper i ntroduced a kind o f secur ity mon itoring syste m based onM SP430F149for underg roundm i ne ,wh ich w as co m prises o f unde rground m i ne i nte lli gent term i na l and co m puter contro lli ng center on the g round .T hism onito ri ng syste m can m onito r and d isplay the underground e lectr i c pow er para m ete rs and env iron m ent para m eters i n rea l ti m e .Besi des this ,the syste m can g ive an a lar m when fa il ure and dange r appear .T he intelligen t ter m i na l send the data to the i ndustr i a l PC by ser i a l co mm un i ca tion .The sy stem has t he pe r -for m ance o f si m ple i m p l ementation ,low cost ,h i gh ant-i ja mm i ng ,and h i gh reli ability .A ll this have a certa i n popu l ar izati on va l ue .K eywords :M SP430F149SC M;i nte lli gent te r m ina ;l host computer ;mon itoring system井下电网安全监测系统能够实时采集井下的电力参数(如电压、电流、零序电压、零序电流)和温度、瓦斯浓度、风速等环境参数,并进行分析处理、动态显示、数据存储,做到在出现故障危险之前及时报警,保证安全生产。

该系统由井上计算机监控中心和多个井下智能终端组成。

井上的地面上位机监控中心与井下的智能终端采用RS485串行通信,可以实时显示各个井下监测点的电力参数和环境参数,将获得的数据存入上位机数据库,建立历史记录,分析数据规律,为安全生产提供信息支持。

1 井下智能终端设计井下智能终端装置是由MSP430F149单片机构成的核心控制电路,可以完成对井下电力系统参数和环境参数的实时采集和保存,将采集到的数据显示出来并以串行通信的方式发送给地面的监控中心。

该部分主要由电力参数采集单元、环境参数采集单元、开关量输入输出,显示电路、声光报警电路,外部存储单元和供电单元构成。

该终端装置可以每隔一段时间监测矿井下的各种参数,通过采集电路将数据暂时存储在外部存储电路中,并动态地显示数据。

当上位机发出查询数据命令时,智能终端装置将采集的数据通过单片机发送给上位机进行记录和分析。

如果采集到的数据临近预先设定的阈值,则系统进行声光报警;如果超越了极限值,则采取相应的控制措施(如进行跳闸处理、抽放瓦斯等)。

终端装置结构如图1所示。

图1 智能终端结构示意111 MPS430F149单片机系统采用M SP430FLASH 系列中M SP430F149单片机作为中央处理器。

M SP430F149的片内含有#19#基础时钟模块、看门狗定时器W atchdog T i m er 和硬件乘法器,模拟比较器co mparator A,2个通用16位定时器,2kB RAM,60kB F l a sh,12位A /D 转换器,2个串行通信端口,48根I/O 口线。

虽然系统需要采集信号的路数较多,但完全可以满足系统需求。

该单片机具有16位精简指令集结构,达到了最高的代码效率,具有处理能力强、运行速度快、超低功耗等优点,性价比很高,能够保证在煤矿井下的长时间使用。

112 电力参数采集单元电力参数采集单元主要使用电压互感器(PT)和电流互感器(CT),将矿井下的高压开关等电气设备中的高压电流或电压转换为较小的电流或电压,实现三相电压和电流信号的采集。

从PT 或C T 采集到的模拟信号经过整流滤波、放大电路进行调理,再送入单片机中的12位的A /D 转换器转换,然后通过单片机实现电流及过压、欠压、过载、短路等计算并保存其值;同样可以采样零序电流、零序电压、绝缘和相敏等信号。

这里可以选择SPT204A 电压互感器和SCT254FK 电流互感器得到精度高、线性度好的5V 输出交流信号。

图2为SPT204A 采集电压电路,SCT254FK 与SPT204A 的用法相似。

SPT204A 额定输入电流为2mA,额定输出电流为2mA 。

使用时需要在原边串联一个阻值合适的电阻,这样可以将原边电压转换为电流信号,满足输入要求。

副边电流与原边电流相同,可以通过运算放大器及调节反馈电阻R3得到需求的电压。

图2 SPT204A 采集电压电路113 环境参数采集单元环境参数采集单元由各种类型的传感器(温度、瓦斯气体、风速、氧气等)和相应的信号调理电路组成,各种模拟信号经过传感器采集,将通过信号调理电路送入单片机内部的12位A /D 转换器转换为数字量,得到的数据将被外部存储器暂存或用于报警或送入上位机中。

在此,温度传感器采用热敏电阻即可满足要求;瓦斯气体的监测可以采用半导体气敏测量法与载体催化测量法相结合,使系统对瓦斯气体的监测做到双保险,避免瓦斯爆炸事故的发生。

这部分电路的结构如图3所示。

图3 环境参数采集单元在实际应用中,也可以采用具有多功能的仪表同时采集温度、气体浓度等物理量,使用的灵活性较大。

在设计中,采用OP07接成共模抑制比很高的三运放差动放大电路,其中每个集成运放都接成比例运算电路形式。

在放大电路中加入模拟开关CD4051,通过单片机控制CD4051逻辑引脚,从而可以主动选择要读取的不同通道的参数。

2 软件设计监控系统的软件设计中主要包含智能终端软件设计和上位机的通信部分程序设计。

智能终端软件流程如图4所示。

单片机完成初始化操作后,可以由工作人员在输入电路中完成监测参数的阈值和极限值的设置。

图4 智能终端流程图上位机可以发送需要监测的参数值类型,由单片机控制完成该路信号通道的选择;当上位机没有指定需要专门监测哪路信号时,可以对各路信号进行轮流采集。

采集的信号经过调理电路并在单片机内部进行计算后,进行判断和处理。

如果采集的数据超过极限值,声光报警的同时(下转第73页)#20#动机的积累过热量的程度用过热比例H r表示:H r=H2/H T由此可见,H r>110时,过热保护动作,为提示运行人员,当电动机过热比例H r超过热告警整定值H a 时,装置先告警。

电动机在冷态(即初始过热量H2=0)的情况下,过热保护的动作时间为:t=T frK1(I1/I e)2+K2(I2/I e)2-11052当电动机停运,电动机积累的过热量将逐步衰减,保护装置按指数规律衰减过热量,衰减的时间常数为4倍的电动机散热时间T sr,即认为T sr时间后,散热结束,电动机又达到热平衡。

3改进方案针对电动机微机综保在平煤八矿轴流式风机电动机应用中的问题,为了满足生产需要,根据现场实际及电动机微机保护工作原理,采取以下2种方案解决了此问题:(1)加装转换开关。

在微机综保两相电流输入端加装转换开关,在反转时,当电动机倒换启动柜两相母线相位时,应同时调整与一次侧相对应的微机综保二次回路两相输入电流信号相位,使其与电动机反转时采集自母线段PT的电压信号相位一致,使微机综保默认等效电流仍然为正序电流,正确计算等效电流,不使微机综保误动作,从而实现电动机反转正常运行。

转换开关安装如图1所示,对应的转换开关真值表如图2所示。

(2)增设一套反转保护程序。

在电动机微机综保中另外设计一套反转保护程序,默认相序变化后反转电流仍为正序电流。

在微机综保开关量输入端加装一转换开关,当转换开关打到/反转0位置后,微机综保在采集到/反转0开关量输入信号后,使用反转运行保护程序,从而实现电动机反转运行。

注意事项:方案(2)适用于正反转转换不频繁的设备,并且在运行中严禁操作转换开关,以防过热保护误动作跳闸停机,以及方案(1)中转换开关瞬间开路。

4结语(1)微机综合保护装置改进安装简便,成本低廉,使用效果良好。

(2)微机综保厂家在设计微机综合保护程序时,应充分考虑用户的实际情况与要求,设计出更加符合现场实际需求、使用简便可靠的产品,以满足不同用户的需求。

(责任编辑:刘欢欢)(上接第20页)还要采取相应的控制措施,例如控制继电器断电,或排除瓦斯等故障危险。

将采集的数据由RS485接口电路传输至上位机,当确定故障与危险消除后,解除系统的报警。

3结语井下安全监测系统利用MSP430F149单片机构成智能终端,实现煤矿井下安全参数的采集、显示、存储与报警,并且与井上计算机监测中心进行实时通信。