1 引言
在礦井下生產作業時,良好通風是保證安全生產的關鍵。常用的通風設備一局部通風機用于調節井下通風狀況,調控瓦斯濃度。風機中的電機和其他電機一樣,在運行過程中因為負載、電網及電機本身等因素常出現過載、缺相、短路等故障,影響其正常運行,從而影響礦井的正常通風。為了適應礦井生產需求,綜合多方面因素及項目要求,研制一臺多電機綜合保護器,采用AT89C52單片機對煤礦井下多臺電機的故障實現綜合保護。
綜合保護器掌握的礦井環境及電機運行狀況信息傳送到地面監控中心,同時地面監控中心可以發送控制指令控制地下電機綜合保護器。通訊方面,由于CAN總線與一般通訊總線相比．具有較好的可靠性、實時性和靈活性,因此采用CAN總線,將故障信息、風機工作狀況及瓦斯、風量信息傳送至上位機。對礦井下的各種危險情況做出及時的反映,保證安全生產。
2 多電機綜合保護器的基本組成
該綜合保護器由兩大模塊組成：保護子模塊和通信子模塊。保護子模塊主要是根據各傳感器和外部檢測裝置輸入單片機的信號進行處理、轉換、顯示以及驅動控制,實現相應功能,達到保護電動機和風機目的。通信子模塊用于實現井下電機綜合保護器與地面上位機通風監控系統的通信。
保護子模塊采用Atmel公司生產的AT89C52單片機作為核心控制器,調控處理各種檢測信息,并完成與CAN總線的接口。通信子模塊采用Philips公司生產的CAN獨立控制器SJA1000實現信息通訊。
2.1 保護子模塊概述
綜合保護器保護子模塊由微處理器和外圍I／O接口電路組成。
微處理器的核心器件AT89C52是一款低壓、高性能CMOS 8位單片機,內含8 KB EPROM和256字節RAM;采用高密度、非易失性存儲技術生產;與標準MCS-51指令系統及8052產品引腳兼容;內置通用8位CPU和Flash存儲單元、32個可編程I／O口線、3個16位定時／計數器以及8個中斷源,適用于較為復雜的控制應用場合。
該綜合保護器能對一臺風機的4個驅動電機的缺相、短路、過載、漏電故障進行綜合保護。風機共有兩臺,一臺主風機,一臺備用風機。風機風量等級共有4級,每臺風機的風速等級由4臺電機高、低速運行的不同組合控制,其中3臺電機是雙速電機,即高速和低速兩種運行模式,另一臺電機是單速電機。風速等級如表1所示。瓦斯濃度不同,則啟動不同的風速等級。當電機發生故障或達到風機倒換時間,則啟動備用風機。根據保護器的要求及其在井下工作的特點,本綜合保護器實現的主要功能見圖1。
2.2 通信子模塊概述
通信子模塊采用的控制器是SJA1000 CAN總線控制器。SJA1000支持CAN2.0B通信協議,它與僅支持CAN2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件上和軟件上完全兼容,并在其基礎上增加了新的功能：標準幀數據結構和擴展幀數據結構,并且這兩種幀格式都具有單／雙接收過濾器;64字節的接收FI-FO;可讀寫訪問的錯誤計數器和錯誤限制報警,以及只聽方式等。在系統設計中,SJA000的內部寄存器作為AT89C52的片外寄存器,AT89C52和SJA1000之間狀態、控制和數據的交換都是通過SJA1000在復位模式或工作模式下對這些寄存器的讀寫操作完成的。
3 通信子模塊設計
3.1 通信子模塊硬件設計
通信子模塊用于完成電機保護器和上位監控機之間的信息傳送,對下位機的運行狀況和故障信息等及時做出相應的反映,保證井下風機正常運行。采用應用最廣泛的CAN總線進行通信。CAN總線接口模塊以AT89C52單片機作為處理核心器件,PC82C250為總線收發器,采用SJA1000作為總線控制器。整個模塊有較強的可擴展性和較好的通用性。SJA1000是應用于汽車和一般工業環境的獨立CAN總線控制器,通常位于微處理器MCS51系列單片機和CAN總線接口器件PC82C250之間,具有CAN通信協議所要求的全部特性。其接口電路如圖2所示。
PCA82C250是Philips公司的CAN控制器和物理總線之間接口,可提供對總線的差動發送和接收能力,支持多達110個節點相連接。它具有三種不同的工作方式：高速、備用和斜率控制,一般采用斜率控制方式。
為了進一步提高系統的抗干擾性,在控制器SJA1000和收發器PCA82C250之間增加了由高速隔離器件6N137構成的隔離電路。
CAN總線兩端的兩只124Ω的電阻對于匹配總線阻抗具有相當重要的作用。若忽略不計。會使數據通信的抗干擾性及可靠性大大降低。甚至無法通信。由于CAN總線利用雙絞線進行數據傳輸,也受外界干擾。因此可充分利用接收器的高共模抑制性能提高通信的抗干擾性,但必須在雙絞線兩端連接匹配電阻來消除長距離線反射所引起的干擾。匹配電阻R與雙絞線特性阻抗Z的關系為：
R=Z／2 (1)
綜合保護器中雙絞線特性阻抗為248Ω左右,所以R為124Ω。
PCA82C250的8引腳RS與地之間的電阻為斜率電阻。在波特率較低的情況下,一般采用斜率控制方式,上升及下降的斜率取決于阻值,經過實驗,一般取值介于20Ω和200 kΩ之間,使用雙絞線作為總線。
在總線接口模塊設計中,應注意電源電壓與地信號之間的隔離。圖2給出的接口電路采用了2種不同電源+5 V和+5 VA,其中,+5 V用于為SJA1000輸出驅動器及6N137一側供電,+5 VA用于為總線收發器PCA82C250及6N137另一側供電。與電源對應,有2組不同的地,AGND和單片機地。采用電源隔離模塊實現電源的完全隔離,否則光電耦合失去隔離作用。本綜合保護器采用B0505S-1W電源隔離模塊實現電源隔離。
一旦有故障產生,則向上位機發送故障信息的中斷請求,響應中斷后通過CAN總線向上位機發送故障信息。同理,當上位機查詢故障信息時,可向下位機發送請求信息,下位機從CAN總線上接收報文后,則按要求將所要信息傳送到上位機。根據具體要傳送的數據信息和CAN總線的通信要求制定相應的通信協議。
3.2 通信軟件設計
CAN總線通信的軟件設計主要包括CAN的初始化程序、報文發送程序和報文接收程序等。在Basic CAN模式下,CAN初始化必須在復位模式下進行,所作的工作主要是設置時鐘分頻寄存器CDR、認可碼寄存器ACR與認可碼屏蔽寄存器AMR、總線定時寄存器BTR0和BTR1、輸出控制寄存器OCR。根據課題要求,可以得出初始化后各寄存器所賦初值：CDR為0x08H;應用系統節點只接收ID(標志符)高八位為"10101010"的消息,認可碼屏蔽寄存器不屏蔽,所以ACR=0xaaH,AMR=0x00H;系統中晶體頻率為16 MHz,波特率預設值BRP=9,算出系統波特率為100 kb／s,BTRO=0C9H,BTR1=0A3H;位序流在正常輸出模式下輸出,采用上拉驅動方式,則OCR=0xAA。SJA1000初始化流程如圖3所示。
4 結束語
本文論述了如何在多個電機綜合保護器的設計中應用CAN總線通信。采用SJA1000型CAN總線控制器作為主控制器,實現上位機對下位機的實時監控,成本低,性能和可靠性基本滿足該系統的功能要求,可增加煤礦生產的安全性,適用于煤礦井下通風系統電機的故障保護。另外,經過適當的改進,也可以用于煤礦以外的其他銅礦、鐵礦等生產,有很好的適用性和推廣性。
中南大學機械電子工程研究所 魏樹偉,何將三,廖平,謝樂添,井歡歡
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