单片机在矿井空压机控制系统中的应用.docx
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单片机在矿井空压机控制系统中的应用
本科毕业论文(设计)
论文(设计)题目
单片机在矿井空压机控制系统中的应用
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摘要
本文主要介绍了一种基于单片机、微机为核心的空压机的综合保护及控制系统的组成、工作原理、主要功能和技术特点,软件的设计与关键问题所采取的技术措施等内容。
以AT89C51单片机为控制核心,研制了一种智能测控模块,并配有RS-485接口,可构成现场485测控网,文章对其硬件和软件结构及对各种干扰的处理作了详细介绍。
本设计系统结构简单,抗干扰能力强,断电时进行对程序保护,具有数据信号输入、显示、故障报警功能,实现在线监控和现场调试。
另外,本设计系统还具有手动/自动转换功能,在不改变硬件情况下,外加输入设备或改变程序,可方便实现系统功能的扩展和改变。
经实践表明,该系统运行稳定、可靠、效果好。
关键词:
单片机,串行通讯,RS-485总线,空压机,抗干扰
TheApplicationofMicroprocessorinPitAir
CompressorControlSystem
Abstract
Inthispaper,thegeneralsafeguardandcomposing,workingprinciple,primaryfunctionandtechnicalcharacteristicofthecontrolsystemoftheaircompressorwhichmainlybasedonthemicroprocessorandcomputerwereintroduced.Theprogrammingdesignandthetechnicalmeasureaboutkeyproblemswerealsopresented.WithAT89C51asthecore,anintelligentmeasurementandcontrolmodulewithRS-485interfaceforfieldnetworkisdesigned.Itshardwareandsoftwareconstructionandthemethodsforeliminatinginterferencearepresented.Designconstructionofsystemissimple,theabilityofinterferencerejectionisstrong,breakelectricitybutforprogramprotection,havedatasignalinput,show,faultwarningfunction,realizeonlinemonitoringandthedebugon-the-spot.Additionally,designsystemstillhasthefunctionssuchastheautomaticconversionbyhand,undernotchangehardwarecondition,isextratoinputequipmentandchangeprogram,butconveniencerealizeschangeandthedevelopmentofsystematicfunction.Thepracticeshowedthattherunningsystemoftheaircompressorwasreliableandsteady,andhadthegoodeffect.
Keywords:
Microprocessor,SerialCommunication,RS-485Bus,AirCompressor,Anti-jamming
目录
1绪论1
2主要功能及参数1
2.1主要功能及特点1
2.2主要工作参数及设定2
2.3检测原理及电路实现2
3系统总体结构与设计3
3.1各功能模块概述5
4硬件设计6
4.1传感器7
4.2报警电路7
4.3输入/显示电路7
4.4固态继电器电路9
4.5变频器设计9
4.5.1变频器选择9
4.5.2VFD-M系列变频器选用10
4.5.3变频器参数设置10
4.6D/A转换电路11
4.7电机控制原理11
5软件设计12
5.1主程序模块14
5.2采集、计算程序模块15
5.3远程控制与多机联动17
5.4调试及测控效果分析17
5.5系统的抗干扰处理18
5.5.1硬件抗干扰设计18
5.5.2软件抗干扰设计18
6结束语19
致谢19
参考文献20
附录1电路总图21
附录2程序清单22
1绪论
空气压缩机一般简称为空压机或压风机。
由于空气具有很好的可压缩性,适宜做功能传递的介质,输送方便,不凝结,对人体无害,对环境无污染,没有起火危险,且处处都有,取之不尽,因而,空压机在民用上,特别是煤矿中得到了广泛的应用。
在煤矿中,空压机作为主要设备,为风动机具提供动力源——压缩空气,煤矿中常用的风动机有凿岩机、风动装岩机、风镐、锚喷支护设备等等。
它作为矿井重要生产设备之一,其工作状态的好坏直接影响着煤矿的经济效益。
《煤矿安全规程》[1]第403条规定“使用油润滑的空气压缩机时,应装设断油保护或断油信号,水冷式空气压缩机应有断水保护或断水信号。
”而空气压缩机常因为冷却水中断或排气阀、气缸出现故障导致排气温度和压力过高,轻则造成气缸和活塞报废,重则造成风包爆炸,造成重大事故。
因此煤矿使用的空压机必须加装断水、超温、超压监测保护装置[2]。
目前国内大量运行的空压机大都采用一般的继电器控制,其监控、保护的技术水平低下,温度和压力的检测采用电接点表和电接点温度计,断水保护也是触点开关,故障率高,维护量大,运行极不可靠,难以达到《煤矿安全规程》对空压机运行的规定要求[1]。
为使空压机正常工作,应对其主要参数如:
风包温度、一级排气温度、二级排气温度、一级排气压力、二级排气压力、润滑油压等,进行连续监测,当其参数超出极限值时,则报警,表示空压机运转有异常,并对空压机进行卸荷,如仍超出极限值,则应自动切断空压机的电源,使其停机。
为此,,采用单片机AT89C51为核心控制器件来实现空压机的实时监控,并提供RS-485通讯接口来构成485现场控制网,并以良好的屏幕界面对运行参数进行显示,对各种运行参数进行存储。
以其良好的性能与准确、稳定的数据在线监测,成功地实现了空压机运转过程中的各种安全保护。
2主要功能及参数
2.1主要功能及特点
系统的具体功能特点为:
(1)温度监测与保护实时监测空压机运转过程中的一级排气温度、二级排气温度、风包温度,可实现超限声、光报警,卸荷与延时停机保护。
(2)压力监测与保护实时监测空压机运转过程中的一级排气压力、二级排气压力、润滑油压力,可实现超限声、光报警,卸荷与延时停机保护。
(3)断水指示与保护空压机运转过程中出现断水时,监控系统可快速报警并停机。
(4)空压机群组集中控制该系统完成空压机群组(5台、6台或多台)的集中控制。
(5)手动/自动转换为了防止自动调节出现故障时,空压机失控而无法正常工作,系统设置了手动和自动测量控制两种工作方式。
2.2主要工作参数及设定
空压机微机监控系统在工作过程中的主要监测参数及其报警值的合理设定关系到设备的安全运转,根据现场情况及《煤矿安全规程》的要求,提出如表1所列设定内容。
表1主要工作参数及设定
临测参数
工作范围
设定值
备注
一级排气压力(MP)
0~0.22
0.22
超限告警
二级排气压力(MP)
0~0.75
0.75
超限告警
润滑油压力(MP)
0.2~0.3
上限0.3
下限0.2
超限告警
超限告警
一级排气温度(℃)
0~130
130
超限告警
二级排气温度(℃)
0~160
160
超限告警
风包温度(℃)
0~120
120
超限告警
润滑油温度(℃)
0~70
70
超限告警
断水指示
“0”
“1”
正常“0”
断水“1”
断水告警
2.3检测原理及电路实现
空压机需要检测的状态量主要有温度、压力和冷却水等[3]。
(1)温度的检测
温度的检测采用热电阻Pt100。
当温度发生变化时,热电阻的阻值发生相应
图1温度检测电路
的变化,为提高测量精度,采用了如图1所示的温度检测电路。
其中,热电阻的测量采用电桥电路,为了减少线路电阻对测量精度的影响,使用三线式连接技术。
信号放大选用差动放大方式。
(2)压力检测
该系统选用远传压力传感器来测量压力。
该远传压力传感器将压力信号转换成一个电阻信号,系统只要测量出电阻值,就可以计算出对应的压力数值。
其检测电路与图1所示的电路原理相似。
(3)断水检测
断水检测传感器由2根相互绝缘的不锈钢棒组成,将这2根金属电极放入空压机的冷却水中(不能短路接触),与水构成1个电阻电路,其电阻值与是否有水有关。
当无水时,2个电极相当于断路,所以电阻无穷大;当有水时,2个电极通过水构成回路,电阻值较小[4]。
缺水检测电路如图2所示。
当有水时,比较器输出低电平;当断水时,比较器输出高电平。
图2断水检测电路
3系统总体结构与设计
本设计控制两台空压机电机M1、M2,以单片机作为控制核心,依靠传感器技术来采集矿井中的信息,包括风包温度,一、二级排气温度及一、二级排气压力等,经A/D转换电路,送入单片机处理,单片机输出经D/A转换放大电路的模拟控制信号送给变频器,变频器变频对空压机电机进行调速。
通过单片机控制固态继电器通断实现工频、变频电路转换和两台电动机的切换,从而达到对矿井空压机控制调节的目的。
本系统由键盘输入单片机控制数据,由显示电路显示控制系统的运行情况,实现在线监控和调试[4]。
出现故障时,显示电路给以显示信息并且发声报警。
系统能够表明故障的出现位置,方便现场调试与维护。
由于单片机的抗干扰能力比较弱,本设计对系统进行了抗干扰保护设计,保证系统运行时安全、可靠。
本控制系统可使控制更加集中,操作简便,功能扩展容易,易于维护,且控制部分体积小,如果投入实际可以节约控制成本。
系统的结构框图如图3(a)所示。
单
片
机
风包温度
一级排气温度
二级排气温度
一级排气压力
二级排气压力
变频器
D/A
M1、M2
A/D
固态继电器
显示
键盘
报警
(a)
单片机
远程PC
‖
智能测控模块
智能测控模块
风包温度
一级排气温度
二级排气温度
一级排气压力
二级排气压力
油
压
断水保护
风包温度
一级排气温度
二级排气温度
一级排气压力
二级排气压力
油
压
断水保护
(b)
图3系统结构图
本系统根据实际情况,采用了三层集散式结构框架,即现场检测元件、现场智能测控模块(1台空压机需一块智能测控模块,用户口现场为2台空压机,须2块智能测控模块)和中央管理计算机。
由检测元件(传感器)对油压,风包温度,一、二级排气温度及一、二级排气压力,冷却水流等信号量进行采样,再通过压力、温度等变送器,将所测的量转变成电量,送入智能测控模块进行采集,由智能测控模块完成被控设备的实时监测、保护与控制,并通过485网与中央管理计算机相连,以实现集中管理[5,6],系统结构图如图3(b)所示。
中央管理计算机可通过电话网、电力(载波)网,或局域网、Internet网等实现远程监控。
3.1各功能模块概述
(1)信号前端
本系统要求进行4种保护:
超温保护、润滑油缺油保护、排气保护和缺冷却水保护,超温保护用3个-40~204℃的温度传感器(一级排气温度、二级排气温度、风包温度),润滑油缺油保护用一个1MP量程的压力传感器测试油压,排气压力保护采用2个压力传感器测试空压机所排的气体的压力(一级排气压力、二级排气压力),缺水保护采用流量传感器,检测冷却水的流量,低于下限值时停机。
(2)下位机处理
下位机主要由1个89C51单片机和信号处理模块、A/D转换模块等组成,负责把传感器的信号采集成数字量,送入上位机进行处理(棒图显示,报警判别),传感器的信号是电流信号,在A/D转化之前加一个高精度电阻,并把高精度电阻上的电压标定在-5V~+5V之间。
信号前端处理如图4所示。
同时下位机预留端口,作为和控制柜的接口,上位机发过来的控制信息通过下位机去控制卸荷阀卸荷和延时停机。
接收数据
传感器
数模转换
高精度电阻
数据显示
-5V~+5V
参量超标
N
Y
处理控制措施
图4信号前端处理示意图图5上位机主程序框图
(3)上位机处理
上位机选用工控机,主要负责把前端采集的信号还原成现场各实际参量的量纲显示出来,棒图显示,设定报警标准和控制处理措施。
根据采集到的信号量的水平发送相应的控制信息到下位机。
上位机主程序框图如图5所示。
4硬件设计
对于设计一个空压机的监控系统来说,首先要考虑的是稳定性,目前有相当一部分空压机采用可编程逻辑控制器PLC进行设计,PLC本身的稳定性满足了空压机在这一方面的要求。
但从价格和体积方面来说,单片机具有很大的优势,AT89C51单片机的ISP在线可编程串行写入,速度更快,稳定性更好,所以选用AT89C51单片机,是空压机控制器设计的一个良好的选择。
每台空压机采用一块智能测控模块,对7个参数进行实时监测,其中6个为模拟量,1个数字量,6个模拟信号通过变送器转变成4~20mA电流信号,由6个通道输入。
采用4~20mA的电流信号输入的优点是,可降低信号在输入线上的损耗。
通过采样电阻(精密电阻),将电流转换成电压信号,通过一级小信号放大及RC滤波,消除信号线上传来的干扰,再由单片机控制模拟开关MAX4051(参见MAX公司网站:
MAX4051资料)对6路模拟信号进行选择,选出其中的一路信号与有源滤波、第二级放大及测量转换器AD7895(参见AD公司网站:
AD7895资料)连接进行测量,这样,6路信号变为1路信号,简化了电路,减少了元器件,降低了成本[6]。
P1.3RXD
RSTTXD
P1.1
P1.5
P1.6
AT89C51P1.7
P1.4
P2.4P2.0
P2.5P2.1
P2.6P2.2
P2.7P2.3
RS-485接口电路MAX487
电源监测及WDTMAX813
控制、报警输出固态继电器
开关量输入
RC滤波及第一级放大
4~20mA输入I/V转换
基准电压MC1403
SclkDatabusyconrA/D转换AD7895
有源滤波及第二级放大
通道切换MAX4051
图6系统硬件电路框图
A/D转换器采用的是AD7895,它有12位的分辨率,只有8个引脚,与单片机串行传送数据,只占用单片机的4根I/O口线,故其接线简单,操作方便,体积也小。
单片机将AD7895测量值与预置的极限值进行比较,以判断是报警,还是启动卸荷或停机。
由单片机P1.6脚输入高电平,使固态继电器接通,再由固态继电器去控制卸荷继电器进行卸荷及声光报警,也可以通过485网由上位机发出报警[6]。
报警期间,不断对该路有报警值的信号进行测量,在预定的时间内,测量的值仍超出极限值,则由单片机的P1.7口去控制另一固态继电器,去断开空压机电源,使空压机自动停机。
延时2min后,再将本智能测控模块电源断开停止测量,其系统硬件电路框图见图6。
4.1传感器
空压机监控系统的主要传感器为压力传器和温度传感器。
其信号传输的准确性与可靠性是本系统的关键。
为此,选择了能适应现场条件、可靠性高、并自身带变送器、可直接输出4~20mA标准信号的传感器,以进一步减少分立元件与信号传输误差,达到系统抗干扰的目的。
压力传感器安装在设备与系统的管路上,用于测量空压机的一级排气压力、二级排气压力、润滑油压力和冷却水压力等技术参数,选择了CYG01型压阻式传感器用于上述参数的测量。
这种类型的传感器能长期用于空压机系统的在线监测,精度很高,性能稳定,且结构简单、紧凑,便于安装调试,可满足空压机监测控制系统的要求[7]。
温度传感器安装在空压机机体上与风包上,主要用于主机工作时的一级排气温度、二级排气温度、风包温度、润滑油温度和冷却水进出水温度等参数的测量,选择了RT²系列铂电阻温度变送器用于上述参数的测量。
经实践证明,该变送器一体化免维修结构在测量现场恶劣环境下能长期高可靠性运行,其信号输出与供电采用两线制远距离传输方式,具有很强的抗干扰能力。
4.2报警电路
当系统出现故障时,控制系统应发出报警信号。
本报警系统采用555振荡芯片,把其输出端和单片机的P1.6口线经过逻辑与,驱动一个二极管和一个小喇叭。
当空压机的各工作状态在界限值之内时,P1.6口输出低电平,振荡器无效。
当某一工作状态值越限时,P1.6口输出高电平,振荡器有效,驱动发光二极管和小喇叭工作,给出声音报警,同时显示报警原因。
报警输出方式如图7所示。
4.3输入/显示电路
本设计用一个8位指拨开关,作为数据输入,申请中断。
启动系统,由指拨开关输入数据,经74LS166的8位并入串出,并送到AT89C51的接受端RXD;AT89C51经UART的串行接受数据存入SUBF寄存器,并检查当RI=1时,将此数据送至P1显示。
输入/显示电路如图8所示。
8
NE555
1
47K
2K0.01μF
47K
10μF+12V
P1.6
图7故障报警电路
指拨开关的8个开关分别与P1.0-P1.7对应,控制8个LED发光二极管,本设计分别为指拨开关1-6开关给于不同的用途,其功能分配如下:
键1用于启动系统;
键2用于风包温度过大中断输入;
键3用于矿井压力不正常中断输入;
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5P2.5
P1.6
P1.7
AT89C51
RXD
TXD
+5V1
74LS166
P0
P1
P2
PLP3
P4
P5
P6
P7
Q7
CLK1NH
21
32
3
4
4
55
66
7
78
8
图8输入/显示电路
键4用于矿井温度不正常中断输入;
键5用于空压机运行出现断水中断输入;
键6用于电机温度过热中断输入;
在该系统中,发光管不但指示有指拨开关闭合,而且,当某路检测信号出现故障时,通过程序控制,可显示出那路出现问题,这就是该系统具有在线监控和现场调试的能力。
在初始状态,使P1.0为高电平,P1.1-P1.7为低电平,这使LED发光管1不亮,2-8亮。
启动系统后,使P1.0为低电平,LED1亮。
有故障出现时,对应的发光管灭。
4.4固态继电器电路
本设计通过AT89C51单片机的P1.6脚输入高电平,使固态继电器接通,再由固态继电器去控制卸荷继电器进行卸荷及声光报警,报警期间,不断对该路有报警值的信号进行测量,在预定的时间内,测量的值仍超出极限值,则由单片机的P1.7口去控制另一固态继电器,去断开空压机电源,使空压机自动停机。
4.5变频器设计
4.5.1变频器选择
国产机台达M系列——高功能低噪音迷你型变频器,具有体积小、低速力矩大、性能完善、使用方便等特点。
可满足复杂细致的动作要求,广泛应用于小型恒压供水系统、产业机械、工业自动化控制等各种应用领域。
变频器内建RS-485串联通讯界面,通讯埠位于控制回路端子,通讯协议采用RS-485串行通讯,RS-485标准串行总线接口以差分平衡方式传输信号,具有很强的抗共模干扰的能力。
本文通过单片机外接MAX485接口芯片进行电平转换,与台达VFD-M变频器连接进行运行、监视操作,取得了很好的效果。
VFD-M系列变频器简介:
采用16位微处理器,正弦波PWM控制;
超低噪音,载波频率可自1~15KHZ调整;
具有简易向量控制和V/F控制方式;
内建串列通讯界面RS-485(速率38400max);
具PID回授控制;
简易定位;多段速及自动程序运转;
自动侦测(Autotunning)电机参数;
由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的,故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率,本设计中选用变频器规格型号为VFD015M21A,额定电流7.0A、电机功率7.5KW。
因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。
如图9所示。
图9台达VFD-M变频器
4.5.2VFD-M系列变频器选用
(1)VFD-M系列变频器优秀的低速力矩特性;
(2)同步控制器调整方便,所有参数均为数字设定,可通过编程设定显示信息;
(3)参数具自动记忆功能;
(4)精度高,内部采用12位A/D、D/A转换器,分辨率可达0.1%;
(5)系统稳定性较此前机械式调速大大提高;
(6)RS-485通讯接口,支持Modbus协议等。
4.5.3变频器参数设置
台达VFD-M变频器的主要参数设定内容如下:
P00:
主频率输入来源。
此处设定为D02,主频率输入由RS485串联通讯输入;
P01:
运转指令来源。
设定为D03,运转指令由RS485串联通讯控制,键盘STOP键有效;
P02:
电机停车方式设定。
D00:
以减速煞车方式停止;
P88:
RS485通讯位址。
本系统中只用到一个变频器,此处设定为D01,即本变频器通讯地址为1,以保证计算机发出的命令能准确送到选定的变频器;
P89:
资料传输速率。
本文设定为D01,取9600bps;
P92:
通讯资料格式。
设定为D03,8,N,2。
即无奇偶校验位,8位数据位,2位停止位。
实验证明这样设置会降低误码率。
图10参数设定的操作
动作说明:
如图10所示,当自动程序运转指令一下达,交流电机驱动器就依照各参数的设定运转,直到第七段完成后自动停止。
若要再次启动,则将自动程序运转指令OFF再ON即可。
4.6D/A转换电路
本设计D/A转换芯片采用目前国内用得最普遍的DAC0832转换器[8]。
直接与AT89C51的P0口相连,外接放大器,输出电压,控制变频器。
输出电压的大小,由DAC0832的8位数字量输入来控制。
D/A转换电路如图11所示。
DI0Rfb
DI1
DI2IOUT1
DI3IOUT2
DI4AGND
DI5Ucc
DI6ILEDI7
WR1Uref
WR2
DGND
P0.0
P0.1
P0.2
P0.3
AT89C51P0.4
P0.5
P0.6
P0.7
WR
-
-
+
+5V
-5V
图11D/A转换电路
4.7电机
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