dsPIC30F5011在煤矿风机监控分站中的应用

陈 敏，唐治德

（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆，400030）

我国46%的煤矿属于高瓦斯煤矿，采掘时极易发生瓦斯爆炸现象。据统计，我国的瓦斯爆炸事故已占煤矿事故的80%以上，所造成的伤亡人数为煤矿事故伤亡人数的90%，所以矿井通风是煤矿生产安全的重点。矿井通风机是煤矿保证井下安全生产必不可少的大型机电设备，起到排除矿井中粉尘和污浊气体，降低瓦斯浓度等作用，其运行情况直接影响到煤矿的安全生产。煤矿风机系统均为双风机双电源的通风供电方式，为了避免一台风机长期连续运行，而另一台不运行的情况，必须对风机工作状态进行实时监视。煤矿自动监控系统能有效降低煤矿生产的能源消耗，避免两台风机同时投入或同时卸载的情况。将并网运行的主备风机集中进行监测控制，充分发挥各风机的性能，使系统在保证矿井通风的前提下，实现最大限度的节能与风机运行时间的均等，以延长压风机的使用寿命，亦便于压风机的维护。

本文介绍基于dsPIC30F5011单片机在风机监控系统监控设备中的应用，设备对风机监控系统及通风环境各种相关参数进行实时数据采集，并传送数据到地面中心监测站，中心监测站根据分站采集的数据和风机运行规程规定实现风机的起停控制与风速调节。

1 风机监控系统组成及结构图

煤矿风机监控系统主要由地面中心站、风机监控分站、温度传感器、瓦斯传感器、开停传感器、电压传感器、风速传感器、防爆开关等设备组成。

（1）风机监控系统主要功能。风机监控系统主要是监测矿井风速大小，并根据矿井的瓦斯浓度大小调节对应风机的风速，改变矿井的风流风量，保证矿井通风正常。同时该系统可以对风机的运行状态进行适时监控，保证风机设备运行状态良好。

（2）地面中心站。地面中心站主要由监控主机和中心站软件组成。地面中心站具有收集数据、分析处理数据、参数设置、与风机监控分站通讯、数据存储、报警、显示、打印、数据查询、历史曲线、故障查询等功能。

（3）传感器。风机运行是否稳定，必须对风机轴承的温度、风机的电压进行监控。开停传感器用来反馈风机的运行状态是否与中心站控制方式一致；风速传感器可以监测矿井风速的大小是否符合矿井通风标准；瓦斯传感器可以监测矿井瓦斯浓度。

（4）防爆开关。防爆开关是整个风机系统的命令执行机构。

（5）监控分站。由风机监控系统结构图可以看出，地面中心站在该系统中起到了连接各种子设备与中心监控软件的重要作用。地面中心站由工控机与系统监控软件组成。系统监控软件在工控机上长期运行，负责与风机监控分站进行通讯，实现对风机系统中各传感器数据进行收集、整理，并与用户设置参数相比较，对风机风速进行调节、控制。

因此监控分站性能的优越性是整个系统的关键所在，对于该设备的研制必须采用性能稳定、功能完善的单片机，而微芯公司的dsPIC30F5011单片机性能完全能满足该设计方案。

2 监控分站功能结构分析

风机监控是指分站通过各种采集手段把有害气体传感器、温度传感器、风速传感器、开停传感器等传感器的数值或者运行状态收集到主系统中，然后由主系统根据预先设计的风机理想运行状态与实际状态相比较，做出比较适合现场的相应联动控制，以达到预期的风机运行状态。同时该系统把所有的运行情况通过总线通讯传输到地面中心监测软件保存，以方便查询。该设备包含以下几个部分：①CPU部分；②开关电源芯片34063为主控制器提供工作电源；③1302时钟芯片，为系统提供时钟服务；④拨码开关设置采集器地址；⑤485通讯；⑥数据采集；⑦中文液晶显示：为方便井下安装维护，采集器采用中文液晶显示，显示该系统的所有采集控制信息。

3 监控分站硬件设计

（1）硬件原理框图见图1。

图1 硬件原理框图

（2）工作电源。由于井下所能提供的工作电源为24V本质安全电源，而该采集器中所有芯片使用电源为5V电源。24V电源降压为5V电源的压差太大，采用线性电源设备自身耗电大，为减小设备功耗，该系统采用开关电源以便减少设备自身功耗，由于开关电源芯片34063的效率比线性电源功率高、外围电路简单、纹波系数控制简单，因此该设备选用34063开关电源为电源芯片。

（3）CPU电路。该分站采用 MICROCHIP公司生产的DSPIC30F5011高性能芯片。经过多年使用实践经验证明，该芯片在工业应用环境中性能稳定；基于C语言编程，指令少，应用方便，程序便于移植，是工程控制应用里要求开发周期短、性能稳定的可选产品之一。

（4）时钟信号。采用1302时钟芯片，为系统提供时钟服务；考虑井下各种事件不规律性，根据经验总结以及查询事件发生时间的需要，该系统增加了时钟，保证每次与地面中心软件通讯时跟上时间信号。时钟定时由地面中心软件进行定时效对。

（5）拨码开关设置采集器地址。由于通讯需要，设备必须带地址。最初考虑红外设置设备地址，但煤矿井下干扰信号太严重，时常导致系统由于干扰的原因进入设置状态，影响通讯。拨码开关设置地址方便不容易受干扰。

（6）采用485通讯。485总线通讯方式传输距离远，传输性能比较稳定。控制器UART信号经过6N137光电隔离后，经MAX1487转换为485通讯，与地面中心软件实现通讯；

（7）数据采集。利用PIC30F5011微控器独特的频率采集功能，采集相邻两个脉冲信号的上升沿时间t，采集10个t,进行数字滤波，得到实际需要的频率信号，对该信号数制转换得到所需要的十进制数据，该数据转换十六进制后通过RS485通讯方式传送到地面中心监测软件，中心站转换该数据为十进制显示。

（8）使用中文液晶显示。为方便井下安装维护，采集器采用中文液晶显示，显示所有相关于该系统的采集控制信息。

（9）PCB抗干扰设计。在PCB制作时，由于使用的开关电源芯片，具有一定的干扰信号，所以要求电源要距离单片机大于2mm的距离，并且保证该电源输出的纹波系数小于20mVp-p，以保证对单片机不造成干扰，从而避免单片机频繁复位；PCB铜线的宽度要适合电流的强度；布线时线与线的间距足够大，尽量保持相互之间无干扰；二层PCB布线尽量保证两面线之间是垂直的，减少平行线；PCB的边沿线距离板子边沿要大于2mm的间距，防止电磁干扰及方便PCB焊接。

4 软件设计

在软件方面，使用软件看门狗技术以及数字滤波技术。DSPIC30F5011单片机中自带看门狗定时器，程序定期喂狗，当程序跑飞定时器溢出时，该系统会自动重启本设备，保证设备不会长期处于死机状态。在A/D数据采集时，考虑井下环境的恶劣性，数据采集采用中位值平均滤波法。连续采集12个信号值，然后去掉最大与最小值，最后累加10个数值之和除以10得到分站采集的传感器的有效数据。该种滤波方法有效的消除由于环境因素导致的瞬间干扰脉冲，有效地杜绝了由于环境干扰引起的传感器数值瞬间变化的问题。

5 结语

大量实验表明，该分站在各个矿风机监控系统中运行状态稳定，实现了对风机的轴温监视、风机电流电压监视、矿井风速监测、瓦斯气体浓度的监测，根据瓦斯气体浓度大小以及井下风速的大小自动调节风机风速大小；根据风机运行参数自动切换风机。该系统的设计使煤矿风机实现了无人值守、降低能耗、运行稳定及降低设备损耗等功能，延长了设备的使用寿命。在煤矿使用期间得到广大煤矿用户的好评。

[1]赵忠仁.煤矿压风机微机实时监控系统[J].煤炭科技，2005，(1):28-30.

[2]国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[S].煤炭工业出版社，2009.

[3]何丽莉.PCB 抗干扰设计[a].芜湖职业技术学院报，2006，（8）.