监控平台方案张家口.docx

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监控平台方案张家口

煤矿综采工作面输送系统监控平台技术方案

中国矿业大学（北京）

2009/1/4

1前言2

2监控平台功能简介2

2.1工作面输送系统的组成及分散测点的设置2

2.2监控平台功能简介3

3监控平台具体实施方案3

3.1监控平台下位机监测仪器的现状3

3.1.1监测仪14PD和13PD3

3.1.2油液污染度监测仪和电量测量仪4

3.2监控平台下位机构成方案15

3.3监控平台下位机构成方案26

4监控平台方案其他问题7

4.1显示屏幕的选择7

4.2油液污染度监测仪的开发7

4.3电量的测量8

4.4通讯方式的选择8

5监控平台硬件初步选型9

5.1核心单片机9

5.2显示器10

5.3电能量测量芯片10

1前言

井下运输是煤矿生产的重要环节，运煤系统运行的好坏直接关系到矿山生产能否正常进行。

随着现代矿井采掘技术的提高，矿井的生产能力越来越大，运煤负荷越来越重，运煤系统也越来越复杂，这样，对运煤系统的安全监测监控要求也越来越高。

它要求现代的监测监控系统具有完善的技术水平，做到平时能够准确无误地完成操作，对突发事故能快速反应，正确处理，使事故范围缩小到最低程度。

所以对工作面输送系统的监测监控非常必要。

2监控平台功能简介

2.1工作面输送系统的组成及分散测点的设置

工作面输送系统的示意图如图2.1所示：

图2.1工作面输送系统示意图

图2.1为工作面输送系统设备布置示意图。

其中1、2为工作面刮板输送机，3为顺槽刮板输送机，4是破碎机，5是装载机，6是顺槽将胶带机。

这六个输送设备共有九组电机和减速器，如图所示①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨。

我们在这九处要安装监测仪器以获得各个减速器的参数，电机的参数，其中在两个工作面刮板输送机机尾③、④处需要有伸缩机尾的功能，两个工作面刮板输送机机头①、②处需要有液压马达紧链系统张紧力的监测功能。

2.2监控平台功能简介

监控平台的主要功能如下：

（1）通信：

和上述的监测仪进行通信，准确获得其监测到的减速器的参数、电机的参数等信息。

通过工业以太网接口将数据传到井上。

（2）显示：

显示下位机监测仪传上来的各个参数及其报警上下限值。

（3）键盘操作：

通过键盘进行报警值设置、翻页、复位等功能。

（4）控制：

自动伸缩机尾。

3监控平台具体实施方案

3.1监控平台下位机监测仪器的现状

3.1.1监测仪14PD和13PD

由上一节可知监控平台主要是通过与下位机监测仪通信获得工作面输送系统各个设备的参数。

我们已有的工作面输送系统监测仪有14PD和13PD。

其中14PD的功能可以简单的分为下面三个部分：

（1）减速器监测系统

减速器监测系统的下功能如表3-1所示：

表3-1

功能1

监测大小油池的温度

功能2

监测减速器高速轴和低速轴的温度

功能3

监测大小油池的液位

功能4

监测冷却水的流量

功能5

监测冷却水的进水压力和出水压力

功能6

设定各个监测值的报警值，当监测的量超过报警值时能够进行声光报警

功能7

将监测的数据通过MODBUS协议传输到上位机

（2）液压马达紧链系统张紧力的监测

液压马达紧链系统张紧力的监测系统主要作用是显示链条的张紧力、马达的转速、链轮链速、链轮转矩和供液系统的压力。

（3）运行中链条张力的控制（伸缩机尾）

在刮板输送机工作时，实时监测系统的压力，当判断伸缩机尾调整链条张紧力的电液控链条张紧力不够时，通过机尾处的两个油缸将机尾的活动架体伸出来张紧链条。

此外，还可以根据经验通过键盘手动伸缩机尾。

13PD只有14PD第一部分的功能，即减速器监测功能。

由于14PD集中了减速器监测，液压马达紧链系统张紧力的监测，运行中链条张力的控制等功能，使得系统比较复杂，带来了系统不稳定，不易维护等问题，所以本方案要将14PD分成更简单的系统。

3.1.2油液污染度监测仪和电量测量仪

目前，油液污染度监测仪正在实验室研制中，电量测量仪器还没有开发。

下面对他们应该完成的功能进行简单介绍。

减速器油液污染度监测仪的功能：

（1）接受齿轮油污染度传感器的输入信号；

（2）显示出减速器油液NAS1638污染度等级；

（3）通过键盘设定报警上下限值，根据设定的报警阀值，进行报警；

（4）作为下位机，与PC机进行通信；

（5）具有自校验功能。

电量测量仪的功能：

（1）显示电机的电压、电流、功率、功率因数；

（2）通过键盘设定报警上下限值，根据设定的报警阀值，进行报警；

（3）作为下位机，与PC机进行通信。

3.2监控平台下位机构成方案1

将14PD的功能用两个仪器分别实现，即专用工作面刮板输送机机头监测仪14PD-1、专用工作面刮板输送机机尾监控仪14PD-2。

专用机头监测仪14PD-1的主要功能是减速器的状态监测和紧链系统张紧力的监测；专用机尾监控仪14PD-2的主要功能是减速器的状态监测和机尾的自动伸缩控制。

该方案的系统框图如图3.1所示：

图3.1

在此方案中，图2.1中①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨各处安装的作为监控平台下位机的监测仪如表3-2所示：

表3-2

测点

①

②

③

④

⑤

⑥

⑦

⑧

⑨

安

装

仪

器

14PD-1

14PD-2

13PD

减速器油液污染度监测仪

电量测量仪

3.3监控平台下位机构成方案2

将14PD监测和控制彻底分开：

专用机头监测仪14PD-1的功能用13PD和机头PTU监测仪来实现。

其中13PD用于减速器的状态监测，机头PTU监测仪用于液压马达紧链系统张紧力的监测。

专用机尾监控仪14PD-2的功能用13PD和机尾自动伸缩控制器来实现。

其中13PD用于减速器的状态监测，机尾自动伸缩控制器用于控制机尾的伸缩。

该方案的系统框图如图3.2所示:

图3.2

在此方案中，图2.1中①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨各处安装的作为监控平台下位机的监测仪如表3-3所示：

表3-3

测点

①

②

③

④

⑤

⑥

⑦

⑧

⑨

安

装

仪

器

13PD

机头PTU监测仪

机尾自动伸缩控制器

减速器油液污染度监测仪

电量测量仪

4监控平台方案其他问题

4.1显示屏幕的选择

显示屏幕的选择有如下可选方案：

（1）采用我们已有的北京迪文科技有限公司的DM系列串行LCD显示终端DMT64480S_02W进行平台的开发，并利用网络上传监控平台的监测数据。

DMT64480S_02WLCD显示终端的有效显示区域尺寸为：

170.0（L）×128.0（W）mm，工作电压：

DC12-28V，工作电流：

450mA。

DMT64480S_02WLCD显示终端主要有以下特点：

标准3线制RS232电平串行接口，无需硬件或软件握手信号，方便与外

设连接；

DC8-28V宽电源范围设计，内置高速开关电源，尤其适合工业应用；

内置12、16、24、32点阵二级汉字库，可以区位码控制本地不同尺寸

汉字显示；

文本显示支持指令设置行间距、列间距控制和自动换行功能；

非常方便实现点、线、圆、多边形等的显示；

内置2MBFLASH，借助厂家提供的图片下载软件，可以脱机存储153幅全屏图片，方便用户在PCWindows环境下开发精美界面；

使用迪文科技DM系列串口LCD显示终端的PIC单片机应用电路异常单，仅仅只要将单片机的串口用一个MAX202（TTL/232电平转换器）将电平换成RS232电平与LCD终端连接，接好电源就可以了。

（2）采用防爆计算机EEP进行平台的开发，并直接将监测数据存储到计算机中。

4.2油液污染度监测仪的开发

油液污染度监测仪可单独作为一个仪器进行开发，也可以考虑与13PD合为一体，把油液的污染度监测作为13PD监测功能的一部分。

油液污染度监测仪在开发过程中需要注意一个关键问题：

油液污染度监测仪在高温油液中的使用问题。

4.3电量的测量

电量的测量主要是指电机电流、电压、功率和功率因数等信号的测量，其中电信号的获取有两种方案可以选择：

（1）从开关柜中获取电信号。

此方案比较方便。

（2）从电机本体中获取信号。

此方案需要注意的是电信号传输距离问题（刮板输送机尾部—>监测平台），过大的距离会造成电信号的减弱。

4.4通讯方式的选择

通讯方式有如下方式可供选择：

（1）RS485通讯方式

RS-485作为一种多点、差分数据传输的电气规范现已成为业界应用最为广泛的标准通信规范之一。

这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点、双向通信。

如果选用RS485通讯方式，我们初步打算选用MODBUS协议。

MODBUS协议是1978年由MODICON公司制定的应用于电子控制器上的一种通用语言，用来实现控制器之间、控制器经网络（例如以太网）和其它设备之间的通信。

它是一种应用于报文传输协议，与底层的物理接口及电气规范无关，支持传统RS232/422/485设备和最新发展出来的以太网设备等。

从功能上看，它可以认为是一种现场总线，不同厂商生产的控制设备通过MODBUS接口可以相互连成工业网络，进行整个系统的集中监控，因而得到了广泛应用。

我们已经研制成功的监测仪13PD和14PD上面已经存在RS-485的接口并且支持MODBUS协议的部分命令，但监控平台要与上下位机通信需要两个串口，一般的单片机不能满足，要进行串口扩展。

（2）CAN总线通讯方式

CAN是一种有效支持分布控制或实时控制的串行通信网络。

CAN为多主工作方式，网络上任何一个节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从。

CAN的直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。

但是13PD和14PD上面不存在CAN总线接口，

需要在13PD和14PD上增加CAN总线接口或采用RS485—CAN转换模块。

（3）RS485与CAN总线性能的比较

特性

RS-485

CAN-bus

单点成本

低廉

稍高

系统成本

高

较低

总线利用率

低

高

网络特性

单主网络

多主网络

数据传输率

低

高

容错机制

无

可靠的错误处理和检错机制

通讯失败率

高

极低

节点错误的影响

导致整个网络的瘫痪

无任何影响

通讯距离

<1.5km

可达10km（5kbps）

网络调试

困难

非常容易

开发难度

标准Modbus协议

标准CAN-bus协议

后期维护成本

高

低

4.5电源与传感器

传感器的接线方式，输入与输出信号。

本安电源的选择。

5监控平台硬件初步选型

主要硬件选型表如下：

核心单片机

AT89C51

显示器

LCD显示终端DMT64480S_02W

键盘

4×4矩阵式键盘

电能量测量芯片

ATT7022B

光电隔离芯片

TLP521系列

通信芯片

SJA1000和PCA82C250

5.1核心单片机

89C51系列单片机是国内近几年应用最流行的单片机之一，本设计选用美国ATMEL公司生产的单片机AT89C51。

ATMEL公司是一款低电压，高性能CMOS8位单片机。

片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的，可灵活应用于各种控制领域。

其主要性能参数如下：

（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容；

（2）4k字节可重复擦写Flash闪速存储器；

（3）1000次擦写周期；

（4）128×8字节内部RAM；

（5）32个可编程I/O口线；

（6）2个16位定时、计数器；

5.2显示器

LCD显示终端DMT64480S_02W在4.1节中已有介绍。

5.3电能量测量芯片

ATT7022B是高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。

内部集成了六路二阶sigma-detaADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数、频率测量的数字信号处理等电路。

ATT7022B能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数。

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