天地(常州)自動化股份有限公司 夏 云
隨著煤礦綜合自動化程度的提高,井下網(wǎng)絡系統(tǒng)的應用也越來越廣泛,通過網(wǎng)絡系統(tǒng)不僅能在井下現(xiàn)場操作各種設備,同時能在地面實現(xiàn)遠程控制,而且能在地面實時監(jiān)測各種設備的運行參數(shù)等,真正實現(xiàn)遠程綜合自動化系統(tǒng)。
目前國內現(xiàn)場的遠程控制開關種類比較繁雜,造成系統(tǒng)接人控制總線種類大,給現(xiàn)場應用造成困難,我單位目前研制的KDG15A型遠程控制開關是KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的配套產(chǎn)品,通過現(xiàn)場總線RS485,用于遠距離控制設備的開關,同時帶有饋電狀態(tài)檢測功能,可反映被控設備的狀態(tài)。
隨著井下自動化程度的提高,井下各種設備的控制及監(jiān)控系統(tǒng),可以挪移到地面控制中心,實現(xiàn)集中控制,減少了人工系統(tǒng),例如井下中央水泵房排水系統(tǒng),當水倉達到井下警戒水位后,必須及時開啟井下水泵向地面排水,這時就要逐一開啟相應的設備,例如首先把相應管路的閥門開啟到位,并需監(jiān)測閥門是否開啟到位;然后開啟真空泵向主排水泵抽真空,確保真空后,再開啟主排水泵,這樣的一系列操作必須在現(xiàn)場安裝遠程控制開關。
又例如井下的皮帶機控制系統(tǒng),由于井下皮帶系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠距離運輸,皮帶機路線長,但皮帶機系統(tǒng)根據(jù)煤礦安全規(guī)程要求必須安設溫度保護、速度保護、煙霧保護、跑偏保護、滿煤保護、沿線緊急停車、縱撕保護等8大保護系統(tǒng),這幾大保護如何在遠距離實現(xiàn),必須在現(xiàn)場安裝遠程控制開關。
因此遠程控制開關的應用在煤礦現(xiàn)場中非常廣泛,我單位根據(jù)目前煤礦的具體現(xiàn)狀,結合煤礦必須具備的六大系統(tǒng)中的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng),綜合分析后決定研發(fā)KDG15A型遠程控制開關,并選擇RS485現(xiàn)場總線,方便接入目前常用的KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng),給用戶提供了方便可靠的遠程控制開關。
KDG15A型遠程控制開關選用PHILIPS公司最新的LPC2119控制器作為系統(tǒng)CPU,該控制器是基于支持實時仿真和一個跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU,同時帶有128/256 kB(字節(jié))嵌入的高速Flash存儲器。寬度128位的存儲器接口和很獨特的加速結構能夠使32位代碼在最大時鐘速率下運行。對系統(tǒng)代碼規(guī)模有非常嚴格控制的應用,可選擇16位Thumb模式將代碼的規(guī)模降低超過30%,而系統(tǒng)性能的損失卻很小。
LPC2119控制器為非常小的64腳封裝、非常低的功耗、幾個32位定時器、4通道10位ADC、2路CAN、PWM通道、46個GPIO以及多達9個外部中斷。并且內置了寬范圍的RS485串行通信接口。
具體的系統(tǒng)圖如圖1所示。
圖1 KDG15A型遠程控制開關結構框圖
KDG15A型遠程控制開關考慮到要搭接KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng),由于KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)中具有9-18直流電源電壓,只需在內部簡單增加電源濾波以及相應5V、3.3V LM1117-3.3和1.8VLM1117-1.8型電源轉換就可以了,在此不在啰嗦。
由于井下各種信號的電磁干擾比較強。為了防止共摸干擾和差模干擾引入到KDG15型開關內部,對芯片以及其他相應硬件造成損壞,因此在各種繼電器開關量和系統(tǒng)采集電路之間相應加了光電隔離器,增加系統(tǒng)抗干擾的能力。開關量的光電隔離抗干擾電路圖如圖2所示:
圖2 光電隔離抗干擾電路圖
作為目前常用的通訊接口,選用ADM487作為RS-485通信元件,同時考慮到系統(tǒng)的抗干擾性在485電路中增加3個快速光耦,這樣配置不僅設計簡單而且價格實惠。具體不在啰嗦,詳見圖3。
圖3 RS485電路設計
KDG15A型遠程控制開關軟件通過采用移植μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)作為該開關的操作系統(tǒng)。μC/OS-II操作系統(tǒng)是一種公開源代碼、結構小巧、具有可剝奪實時內核的實時操作系統(tǒng),不僅具有編程簡單、簡潔,同時具有可裁減性好、可靠性高、實時性強等特點。
μC/OS-II操作系統(tǒng)是一個實時操作系統(tǒng)內核,它不僅僅包含了任務調度,任務管理,時間管理,內存管理和任務間的通信和同步等基本功能,而且包含了信號量管理、事件管理、郵箱消息管理、消息隊列管理、內存管理、事件標志組管理等幾個部分,以上功能完全可以通過用戶自己根據(jù)需要進行簡單的設置即可實現(xiàn)。由于μC/OS-II具有良好的可擴展性和源碼開放,其他的輸入輸出管理,文件系統(tǒng),網(wǎng)絡等額外的任務,用戶可以根據(jù)需要簡單編程即可實現(xiàn)。
通過移植嵌入式μC/OS-II實時操作系統(tǒng),應用程序變得相對簡單,主程序Main()函數(shù)如下:
Void main(void)
{
OSInit();//系統(tǒng)初始化
InitTimer0();//Timer0初始化,Timer0作為系統(tǒng)時鐘節(jié)拍源
OSTaskCreate(Task1,(void*)0,(void*)&TaskStk[1][0],6);/*建立任務1*/
OSTaskCreate(Task2,(void*)0,(void*)&TaskStk[2][0],6);/*建立任務2*/
OSStart();/*開始多任務調度*/
}
通過主程式,設置系統(tǒng)內部初始化,并設置好系統(tǒng)的時鐘節(jié)拍源,只需建立兩個任務即可實現(xiàn)Task1作為485通信任務,Task2作為系統(tǒng)輸入、輸出的監(jiān)測控制任務。
Task1任務485通信程序采用中斷方式啟動,在系統(tǒng)設置內部設置好時間間隔,到時間即開啟Task1,具體流程圖見圖4。
圖4 Task1通信任務流程圖
數(shù)據(jù)處理及控制Task2程序如圖5所示:
圖5 數(shù)據(jù)處理及控制Task2程序
數(shù)據(jù)處理及控制程序,任務啟動后,首先判斷是否有上位機發(fā)送的控制命令,如果有控制命令,根據(jù)上位機控制命令分別對端口進行控制,如無控制命令對所有端口進行監(jiān)測,監(jiān)測完成后將監(jiān)測結果存儲到相應位置。
本文根據(jù)井下現(xiàn)場綜合自動化的需求簡單介紹了KDG15A型遠程控制開關設計,該控制開關系統(tǒng)設計簡潔,方便搭接KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng),為井下煤礦綜合自動化提供了很好的搭建平臺。該KDG15A型遠程控制開關已在我公司投入生產(chǎn)并依法取得防爆合格證和MA煤礦安全許可證,已投入到各個礦物局使用,并取得了很好的口碑。
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