1 引言
在矿井下生产作业时,良好通风是保证安全生产的关键。常用的通风设备一局部通风机用于调节井下通风状况,调控瓦斯浓度。风机中的电机和其他电机一样,在运行过程中因为负载、电网及电机本身等因素常出现过载、缺相、短路等故障,影响其正常运行,从而影响矿井的正常通风。为了适应矿井生产需求,综合多方面因素及项目要求,研制一台多电机综合保护器,采用AT89C52单片机对煤矿井下多台电机的故障实现综合保护。
综合保护器掌握的矿井环境及电机运行状况信息传送到地面监控中心,同时地面监控中心可以发送控制指令控制地下电机综合保护器。通讯方面,由于CAN总线与一般通讯总线相比．具有较好的可靠性、实时性和灵活性,因此采用CAN总线,将故障信息、风机工作状况及瓦斯、风量信息传送至上位机。对矿井下的各种危险情况做出及时的反映,保证安全生产。
2 多电机综合保护器的基本组成
该综合保护器由两大模块组成：保护子模块和通信子模块。保护子模块主要是根据各传感器和外部检测装置输入单片机的信号进行处理、转换、显示以及驱动控制,实现相应功能,达到保护电动机和风机目的。通信子模块用于实现井下电机综合保护器与地面上位机通风监控系统的通信。
保护子模块采用Atmel公司生产的AT89C52单片机作为核心控制器,调控处理各种检测信息,并完成与CAN总线的接口。通信子模块采用Philips公司生产的CAN独立控制器SJA1000实现信息通讯。
2.1 保护子模块概述
综合保护器保护子模块由微处理器和外围I／O接口电路组成。
微处理器的核心器件AT89C52是一款低压、高性能CMOS 8位单片机,内含8 KB EPROM和256字节RAM;采用高密度、非易失性存储技术生产;与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容;内置通用8位CPU和Flash存储单元、32个可编程I／O口线、3个16位定时／计数器以及8个中断源,适用于较为复杂的控制应用场合。
该综合保护器能对一台风机的4个驱动电机的缺相、短路、过载、漏电故障进行综合保护。风机共有两台,一台主风机,一台备用风机。风机风量等级共有4级,每台风机的风速等级由4台电机高、低速运行的不同组合控制,其中3台电机是双速电机,即高速和低速两种运行模式,另一台电机是单速电机。风速等级如表1所示。瓦斯浓度不同,则启动不同的风速等级。当电机发生故障或达到风机倒换时间,则启动备用风机。根据保护器的要求及其在井下工作的特点,本综合保护器实现的主要功能见图1。
2.2 通信子模块概述
通信子模块采用的控制器是SJA1000 CAN总线控制器。SJA1000支持CAN2.0B通信协议,它与仅支持CAN2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件上和软件上完全兼容,并在其基础上增加了新的功能：标准帧数据结构和扩展帧数据结构,并且这两种帧格式都具有单／双接收过滤器;64字节的接收FI-FO;可读写访问的错误计数器和错误限制报警,以及只听方式等。在系统设计中,SJA000的内部寄存器作为AT89C52的片外寄存器,AT89C52和SJA1000之间状态、控制和数据的交换都是通过SJA1000在复位模式或工作模式下对这些寄存器的读写操作完成的。
3 通信子模块设计
3.1 通信子模块硬件设计
通信子模块用于完成电机保护器和上位监控机之间的信息传送,对下位机的运行状况和故障信息等及时做出相应的反映,保证井下风机正常运行。采用应用最广泛的CAN总线进行通信。CAN总线接口模块以AT89C52单片机作为处理核心器件,PC82C250为总线收发器,采用SJA1000作为总线控制器。整个模块有较强的可扩展性和较好的通用性。SJA1000是应用于汽车和一般工业环境的独立CAN总线控制器,通常位于微处理器MCS51系列单片机和CAN总线接口器件PC82C250之间,具有CAN通信协议所要求的全部特性。其接口电路如图2所示。
PCA82C250是Philips公司的CAN控制器和物理总线之间接口,可提供对总线的差动发送和接收能力,支持多达110个节点相连接。它具有三种不同的工作方式：高速、备用和斜率控制,一般采用斜率控制方式。
为了进一步提高系统的抗干扰性,在控制器SJA1000和收发器PCA82C250之间增加了由高速隔离器件6N137构成的隔离电路。
CAN总线两端的两只124Ω的电阻对于匹配总线阻抗具有相当重要的作用。若忽略不计。会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低。甚至无法通信。由于CAN总线利用双绞线进行数据传输,也受外界干扰。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扰性,但必须在双绞线两端连接匹配电阻来消除长距离线反射所引起的干扰。匹配电阻R与双绞线特性阻抗Z的关系为：
R=Z／2 (1)
综合保护器中双绞线特性阻抗为248Ω左右,所以R为124Ω。
PCA82C250的8引脚RS与地之间的电阻为斜率电阻。在波特率较低的情况下,一般采用斜率控制方式,上升及下降的斜率取决于阻值,经过实验,一般取值介于20Ω和200 kΩ之间,使用双绞线作为总线。
在总线接口模块设计中,应注意电源电压与地信号之间的隔离。图2给出的接口电路采用了2种不同电源+5 V和+5 VA,其中,+5 V用于为SJA1000输出驱动器及6N137一侧供电,+5 VA用于为总线收发器PCA82C250及6N137另一侧供电。与电源对应,有2组不同的地,AGND和单片机地。采用电源隔离模块实现电源的完全隔离,否则光电耦合失去隔离作用。本综合保护器采用B0505S-1W电源隔离模块实现电源隔离。
一旦有故障产生,则向上位机发送故障信息的中断请求,响应中断后通过CAN总线向上位机发送故障信息。同理,当上位机查询故障信息时,可向下位机发送请求信息,下位机从CAN总线上接收报文后,则按要求将所要信息传送到上位机。根据具体要传送的数据信息和CAN总线的通信要求制定相应的通信协议。
3.2 通信软件设计
CAN总线通信的软件设计主要包括CAN的初始化程序、报文发送程序和报文接收程序等。在Basic CAN模式下,CAN初始化必须在复位模式下进行,所作的工作主要是设置时钟分频寄存器CDR、认可码寄存器ACR与认可码屏蔽寄存器AMR、总线定时寄存器BTR0和BTR1、输出控制寄存器OCR。根据课题要求,可以得出初始化后各寄存器所赋初值：CDR为0x08H;应用系统节点只接收ID(标志符)高八位为"10101010"的消息,认可码屏蔽寄存器不屏蔽,所以ACR=0xaaH,AMR=0x00H;系统中晶体频率为16 MHz,波特率预设值BRP=9,算出系统波特率为100 kb／s,BTRO=0C9H,BTR1=0A3H;位序流在正常输出模式下输出,采用上拉驱动方式,则OCR=0xAA。SJA1000初始化流程如图3所示。
4 结束语
本文论述了如何在多个电机综合保护器的设计中应用CAN总线通信。采用SJA1000型CAN总线控制器作为主控制器,实现上位机对下位机的实时监控,成本低,性能和可靠性基本满足该系统的功能要求,可增加煤矿生产的安全性,适用于煤矿井下通风系统电机的故障保护。另外,经过适当的改进,也可以用于煤矿以外的其他铜矿、铁矿等生产,有很好的适用性和推广性。
中南大学机械电子工程研究所 魏树伟,何将三,廖平,谢乐添,井欢欢
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