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        基于CAN總線帶式輸送機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及仿真優(yōu)化

        2019-01-17 02:09:04王晶晶
        機(jī)械管理開發(fā) 2018年12期
        關(guān)鍵詞:集線器帶式寄存器

        王晶晶

        (山西新元煤炭有限責(zé)任公司, 山西 壽陽(yáng) 045400)

        引言

        帶式輸送機(jī)的廣泛應(yīng)用提升了礦井自動(dòng)化生產(chǎn)水平,更為重要的是帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為智能化礦井的一個(gè)重要構(gòu)成部分。近年來,隨著互聯(lián)網(wǎng)、通信等技術(shù)的進(jìn)步,其已成為集計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和智能傳輸于一體的智能監(jiān)控系統(tǒng)[1]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶速度、皮帶跑偏、一氧化碳含量、煙霧濃度、煤堆、端頭部滿倉(cāng)和惰輪溫度的在線監(jiān)測(cè)以及故障診斷等功能[2-6],本文基于CAN總線技術(shù),使用多個(gè)CAN集線器的多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。以巷道溫度為例進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并利用PFautoCAN軟件,驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性。

        1 CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)和目標(biāo)

        1.1 CAN總線特點(diǎn)

        其一,數(shù)據(jù)通信沒有主從關(guān)系,任何節(jié)點(diǎn)都可以啟動(dòng)與任何其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。通信順序由每個(gè)節(jié)點(diǎn)信息的優(yōu)先級(jí)順序確定,并且高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)信息在134μs通信;其二,當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起通信時(shí),避免優(yōu)先級(jí)的高優(yōu)先級(jí)不會(huì)導(dǎo)致通信線路擁塞;其三,在通信速率小于5 kb/s的條件下,通信距離可達(dá)10 km;而在通信距離小于40 m的條件下,其通信速率可達(dá)到1 Mb/s;其四,CAN總線傳輸介質(zhì)可以是雙絞線,同軸電纜。CAN總線適用于大數(shù)據(jù)量的短距離通信或遠(yuǎn)距離小數(shù)據(jù)量,實(shí)時(shí)性要求較高,多主機(jī)多從機(jī)或每個(gè)節(jié)點(diǎn)用于同一領(lǐng)域。

        1.2 基于CAN總線特點(diǎn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

        由于帶式輸送機(jī)運(yùn)輸量大,運(yùn)輸速度快,距離長(zhǎng)且操作條件復(fù)雜,環(huán)境差。系統(tǒng)可靠性受環(huán)境影響較大,易受激勵(lì)。根據(jù)帶式輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況,在分析現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)急需完善的功能并結(jié)合CAN總線的特點(diǎn),設(shè)定了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能:一是通過讀取傳感器中的模擬量可以將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的傳輸給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于后續(xù)可能增加的外部功能,預(yù)留了安裝接口,具有較好的適應(yīng)性;二是計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面對(duì)傳輸?shù)臏y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并實(shí)時(shí)顯示,具有超限報(bào)警及故障檢測(cè)功能;三是基于CAN集線器的使用增加了傳輸速度和通信距離,可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況中的多種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控;四是具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、備份功能。

        2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

        多參數(shù)信號(hào)采集、信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)分析處理構(gòu)成了CAN總線的分布式多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。

        信號(hào)采集部分主要是通過傳感器完成數(shù)據(jù)的收集,主要包括:皮帶速度,皮帶偏差,一氧化碳含量,煙霧濃度,煤堆等??紤]到帶式輸送機(jī)運(yùn)輸物料時(shí)的長(zhǎng)距離,將多通道式CAN集線器安裝在道路的集中端口處以完成多參數(shù)信號(hào)的收集。CAN子網(wǎng)設(shè)置在不同的位置和段中,CAN主網(wǎng)絡(luò)即多路CAN集成器,與每段之間通過CAN集線器連接。

        在信號(hào)傳輸部分中應(yīng)用了雙絞線電纜,為了達(dá)到抑制反射的目的,將120 Ω終端電阻設(shè)置在CAN總線的兩個(gè)端部。

        數(shù)據(jù)分析處理部分由單片機(jī)組成,完成對(duì)信號(hào)采集模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理,并在計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示結(jié)果。

        如下頁(yè)圖1所示為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),CAN子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2所示。

        2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        為確保設(shè)備滿足防爆、電氣隔離及限流溫度限制的要求,系統(tǒng)選用了MC9S08DZ60型微控制器、KDW127/12型礦用本電源芯片、收發(fā)器TJA1050和智能4通道網(wǎng)橋集線器CANHub-P4。為避免參數(shù)信號(hào)受到環(huán)境干擾,搭建了由光電耦合電路、可調(diào)電阻等元器件組成的抗干擾電路,利用CANH和CANL兩者之間的差分傳輸來達(dá)到避免信號(hào)受到干擾的作用??垢蓴_電路設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖3所示。

        圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

        圖2 CAN子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

        圖3 抗干擾電路設(shè)計(jì)圖

        以礦井工作點(diǎn)溫度為例,在系統(tǒng)中均由具有本質(zhì)安全外部結(jié)構(gòu)的裝置采集其參數(shù)。其中,礦井工作點(diǎn)溫度的采集選用GWD70型數(shù)字溫度傳感器,其基于熱導(dǎo)原理和熱催化原理,系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

        圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

        圖5 發(fā)送CAN報(bào)文流程

        2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        1)初始化軟件模塊設(shè)計(jì)。須對(duì)CAN控制器內(nèi)的寄存器進(jìn)行初始化,以確保其CAN幀數(shù)據(jù)功能的順利實(shí)現(xiàn)。首先,將處于置位模式寄存器中的第0位修改為復(fù)位模式;其次,設(shè)置時(shí)鐘分頻寄存器、CAN波特率、驗(yàn)收濾波器、總線輸出模式等;最后,對(duì)處于復(fù)位模式的寄存器第0位進(jìn)行清除。節(jié)點(diǎn)微控制器MC9S08DZ60可從復(fù)位模式中退出并進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

        2)節(jié)點(diǎn)發(fā)送CAN報(bào)文軟件設(shè)計(jì)。只有保證MC9S08DZ60內(nèi)部CAN控制器的初始化完成后,才能將CAN消息從每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送。發(fā)送流程如圖5所示,通過讀取狀態(tài)寄存器以判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否處于發(fā)送狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)可用時(shí),數(shù)據(jù)幀信息被寫入發(fā)送緩沖區(qū),并在前一個(gè)任務(wù)發(fā)送完成后加載數(shù)據(jù)到發(fā)送緩沖區(qū),觸發(fā)發(fā)送請(qǐng)求功能,將CAN消息傳輸?shù)娇偩€。

        3)點(diǎn)接收CAN報(bào)文軟件設(shè)計(jì)。MC9S08DZ60型微控制器對(duì)總線接收到的CAN信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理。從CAN總線接收到消息后,CAN控制器通過接收過濾器對(duì)其進(jìn)行比較,通過后將消息保存到FIFO并設(shè)置狀態(tài)寄存器。通過判斷接收緩沖區(qū)不處于空閑狀態(tài),從而讀取接收緩沖區(qū)來獲取消息,進(jìn)而釋放緩沖區(qū)。一個(gè)報(bào)文接收完成后,下一個(gè)讀取狀態(tài)寄存器的操作流程將繼續(xù)進(jìn)行,其過程如下頁(yè)圖6所示。

        3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

        3.1 仿真實(shí)驗(yàn)方案

        以礦井工作點(diǎn)溫度為例,并將其作為研究對(duì)象,利用PFautoCAN軟件進(jìn)行仿真,驗(yàn)證其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。該仿真軟件由數(shù)據(jù)庫(kù)、測(cè)量和仿真三個(gè)模塊組成。依據(jù)本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),對(duì)礦井工作點(diǎn)溫度所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行設(shè)置,編制了相關(guān)的CAN協(xié)議,仿真實(shí)驗(yàn)方案如下頁(yè)圖7所示。

        圖6 接收CAN報(bào)文流程

        3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

        在仿真實(shí)驗(yàn)過程中,多參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊分為多個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域都是一個(gè)CAN子網(wǎng),不同的CAN子網(wǎng)與CAN總線之間由多通道CAN集線器連通。供電狀態(tài)下,CAN總線峰值負(fù)載率為15.3%,而后逐漸趨于平穩(wěn),上下波動(dòng)范圍在3.1%左右,完全適合工業(yè)用途的使用。鑒于CAN子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一致性,選取溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。監(jiān)控一定時(shí)間后,通過改變外界環(huán)境變量(如靠近熱源等方式)測(cè)試其響應(yīng)時(shí)間,結(jié)果如圖8所示。從圖8中可知,該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠較好地對(duì)外部環(huán)境溫度變化作出反應(yīng),具有快速的響應(yīng)實(shí)時(shí)性,說明本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性高。

        圖7 仿真實(shí)驗(yàn)方案圖

        圖8 測(cè)試結(jié)果圖

        4 結(jié)論

        基于CAN總線的特點(diǎn)和技術(shù)設(shè)計(jì)的多參數(shù)模式下的煤礦帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了輸送機(jī)運(yùn)行工況中對(duì)皮帶速度、皮帶偏差、煙霧濃度、一氧化碳含量、煤堆等多參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷。極大地提升了帶式輸送機(jī)的安全性、可維護(hù)性和智能性。并以礦井工作點(diǎn)溫度為例做為仿真實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象,驗(yàn)證了該監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

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