（电力电子与电力传动专业论文）嵌入式系统在矿井斜巷提升集成监控中的应用.pdf

摘要 a b s t r a c t t h em i n eo b l i q u el a n et r a n s p o r t a t i o ni so n eo fq u e s t i o n sw h i c ha r ef r e q u e n t l y d i s c u s s e df o rm i n es a l t y l o ta c c i d e n t sh a p p e ni nt h eo b l i q u el a n et r a n s p o r t a t i o n ，f o r t h el a c ko fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o la n dt h ed i s t r i b u t i o no ff o u rs y s t e m s ：l i f t i n gs i g n a l s y s t e m ，a n t i - c r a s hs y s t e m ，a n t i r u n n i n gs y s t e ma n ds p e e da d j u s t i n gs y s t e m ，w h i c h a r eh i 【g hc o s ta n dl o wp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i s s y s t e md e s i g n sa ni n t e g r a t i o ns y s t e mo ft h r e ed i s t r i b u t e ds y s t e m so fl i f t i n gs i g n a l s y s t e m ， a n t i c r a s h s y s t e m a n d a n t i - r u n n i n gs y s t e mb yu s i n g e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ra n di t si n t e r f a c ec i r c u i t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ec o m p o n e n to ft h es y s t e m ，t h em a i nf u n c t i o no ft h e s y s t e m ，d e s i g nt h i n k i n g ，d e t e c t i n gt h e o r yo ft h r e es u b s y s t e m s ，m e t h o d ，o u t p u tc o n t r o l ， e c t b a s e do np h i l i p sl p c 2 2 1 4a n dl p c 2 1 3 2e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r , a n di t s h a r d w a r ei n t e r f a c e ，a dc o n v e r t e r ，h i g h s p e e dc o u n t e r , l c d ，t h ed r i v ea n da p p l i c a t i o n o fa dc o n v e a e r k e y b o a r d , l c di n p u ta n do u t p u ts i g n a l ，u a r ds e r i a lt r a n s f o r m a t i o n a r ea n a l y z e da n dd e s i g n e dt ot h es y s t e m l a s t ，d a t ac a p t u r e ，d a t ac o n d u c t i o n ，d a t as t o r e ，d a t ao u t p u t , t h es o f t w a r eo f l i f t i n gs i g n a ls y s t e m ，a n t i c r a s hs y s t e ma n da n t i r u n n i n gs y s t e ma r ea n a l y z e da n d d e s i g n e d t h ea d v a n t a g e so ft h i ss y s t e mi n c l u d e s ：l o wp r i c ea n dh i g hp e r f o r m a n c e h i g h i n t e r g e r a t e d ，e t c f i g u r e2 5t a b l e7 r e f e r e n c e5 3 k e y w o r d s ：m i n eo b l i q u el a n e ；m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l es y s t e m ；e m b e d d e ds y s t e m ， u c o s - i i c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ： 玎 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者张辑吼啤年乡月些日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徽垄王态堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文储签名唧中 导师签名：孝考乒比( 多写乒蟛 安徽理工大学硕士论文 1 绪论 1 绪论 1 1 选题的目的和意义 斜巷轨道运输是煤矿生产运输中的重要环节之一。它担负着运人、提煤、送 料或拉矸等任务。斜巷轨道也是矿井运输事故的多发区，有关资料表明矿井运输 事故的危害仅次于顶板事故。造成事故的主要原因是斜巷运输安全监控不到位， 如矿井信号装置不完备，抗干扰能力差；挡车装置等保护措施不全；绞车调速装 置技术落后等1 1 】1 3 羽。 因此针对目前的斜监控系统中存在的提升信号系统、防同勾系统、防跑车系 统和调速系统几个系统互相独立，各系统互相不兼容，各上一套软硬件设备，造 成投资成本高，设备利用率低，维修困难等问题，本系统设计了将其中三个子系 统，即提升信号系统，防同勾系统和防跑车系统融为一体综合集中控制的思想， 并采用了嵌入式微处理器及其接口电路进行实现。 1 2 国内外发展情况 矿井的监控系统一直以来都是一个井下安全生产的热门话题，早期的井下监 控系统大多以模拟技术为主，由传感器、断电仪、载波机、传输线、解调器、调 度显示盘等组成。存在精度差、抗干扰能力差、识别纠错能力弱等先天不足。国 外研制矿井监控系统始于2 0 世纪6 0 年代，我国的煤矿监控技术应用较晚，在8 0 年代，分别从波兰、法国、德国、英国和美国引进了一批安全监控系统( 如 d a n 6 4 0 0 、t f 2 0 0 、m i n o s 和s e n t u r i o n 0 2 0 0 ) ，装备部分煤矿；在引进技术的同 时，通过消化、吸收并结合我国的煤矿的实际情况告捷研制了系列( 如k j 2 、 k j 4 到较新的k j 9 2 等) 多种监控系统，这些监控系统在我国煤矿已经大量使用。 实践表明，安全监控系统对煤矿安全生产起到了十分重要的任用，各煤矿大 都已经将其作为一项重大的安全装备。但是由于当时相当一部分监控系统技术水 平低，功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，这些监控系 统或者已经淘汰、或者已经被停产，因此造成相当一部分无法继续使用已经装备 的安全监控系统。特别是近几年来由于老系统年限将至，已经没有继续维修维护 的必要，这些系统急需更新改造。 近几年，随着微电子技术、电气技术和监控技术的迅猛发展，以芯片控制为 主，新型结构传感器，并有高度自动化的数字化井下监控系统正被越来越多的被 安徽理工大学硕士论文 1 绪论 研究，并逐步投放到实际应用中来。但是，应当指出的是，虽然现在对井下监控 系统的研究比较多，但是一般都是比较单一从某个功能进行研究论述的较多，整 体综合集成系统角度考虑的较少，因此本文以此为出发点，并针对矿井斜巷信号 提升系统、防同勾系统和防跑车系统存在的一些问题进行改进，并采用嵌入式控 制器，并移植u c o s i i 操作系统实现了三者合一的综合集成监控系统，因此本研 究具有一定的经济价值和社会效益【3 8 j 【柏】。 目前，除本课题组采用可编程控制器进行斜巷提升系统集成监控研究外，这 方面的研究尚未见到。 1 3 本文主要内容 第1 章绪论，概述本系统。 第2 章主要介绍了整个系统集成，以及系统各个功能模块的功能，并分别就 防同勾子系统、提升信号子系统和防跑车子系统的主要思想进行了简单介绍。 第3 章对运输信号子系统的组成，用到的原理等内容进行详细论述。 第4 章介绍了防跑车系统的主要原理、结构、系统组成和控制方法等。 第5 章介绍了防同勾子系统的组成、控制方法、控制思想等。 第6 章为系统硬件模块，分别介绍了嵌入式控制器l p c 2 2 1 4 和l p c 2 1 3 2 及其 接口电路的设计等。 第7 章主要介绍了本系统的软件层，从软件开发的角度说明如何实现系统的 各个功能。 其中，第6 、7 两章为本文的重点。 1 4 本文关键技术概述 ( 1 ) a r m 微处理器 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 、体积小、低功耗、低成本、高性能： 2 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器 件： 3 、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 、大多数数据操作都在寄存器中完成： 5 、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 、指令长度固定： 2 安徽理工大学硕士论文 1 绪论 到目前为止a r m 处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 1 、工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但 占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领 域扩展趣m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出了 挑战。 2 、无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 、网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得 竞争优势。此外a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对d s p 的应用领域提出了挑战。 4 、消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 5 、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。【2 1 【1 4 1 ( 2 ) 嵌入式操作系统：u c o s i i 嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用， 软硬件可裁减的；适用于对功能、可靠性、功耗等综合性能有严格要求的专用计 算机系统。 嵌入式系统应具有的特点是：高可靠性；在恶劣的环境或突然断电的情况下， 系统仍然能够正常工作；许多嵌人式应用要求实时性，这就要求嵌入式操作系统 具有实时处理能力；嵌入式系统和具体应用有机地结台在一起，它的升级换代也 是和具体产品同步进行；嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高可靠性；一般 都固化在只读存储器中或间存中，也就是说软件要求固态化存储，而不是存储在 磁盘等载体中。 嵌入式操作系统有很多种，常见的有p a l mo s 、w i n d o w sc e 、l i n u x 和 u c o s i i 等。本系统中使用的就是u c o s i i ，它具有以下特点： 1 、u c o s 是一个简单、高效的嵌入式实时操作系统内核，其安全性已经得 到美国航天局认可，应用于航天器中。 2 、支持x 8 6 、a r m 、p o w e r p c 、m i p s 等众多体系结构 3 、可从w w w u c o s i i c o m 网站上获得全部源码及其在各种体系结构平台上的 移植范例。 4 、u c o s 1 i 内核具有可抢占的实时多任务调度功能。 3 。 安徽理工大学硕士论文 1 绪论 5 、提供了许多系统服务，如信号量、消息队列、邮箱、内存管理、时间函数 等。 6 、系统服务功能可以根据不同的需求进行裁减。 1 5 本章小结 本章主要阐述本文选题的意义，并根据国内外发展的方向说明了本文的主要 研究方向，同时就本系统所采用的一些关键性技术做了简单的介绍。 安徽理工大学硕士论文2 矿井斜巷提升集成监控系统的组成 2 矿井斜巷提升集成监控系统的组成 本系统主要研究斜巷提升系统的信号装置、防跑车装置、防同勾装置。并把 这三种装置作为三个子系统集成进行集中监控，统一管理。并将系统的信号、数 据采集，处理及控制等采用嵌入式系统来完成。系统组成如图2 - 1 所示。 l 一矿井斜巷提? 监控系统 图2 - 1 斜巷提升监控系统组成 f i 9 2 - 1t h ec o m p o s i t i o no fi n t e g r a t e dm o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e mf o r o b l i q u el a n es a f e t y 2 1 系统的主要功能 针对斜巷运输事故多发以及针对斜巷双轨提升时，下口扳道工可能扳错道岔， 轻者造成经济损失，重者造成人员伤亡的情况，以及矿井信号装置可靠性差，抗 干扰能力达不到要求；挡车装置可靠性差，不灵活；使用的各部件不兼容等等 1 2 2 1 1 矧。主要研究将斜巷提升系统的信号装置、挡车装置、防错道装置集成后进行 集中监控，统一管理，简化、优化并完善监控系统的功能，使其安全性、可靠性 增强。将上述所有子系统的信号均引入到绞车房，通过l c d 进行显示，从而完成 系统集成、综合监控功能。具体功能为： 斜巷提升信号的监控：针对矿井斜巷中易出现的“行人与矿车同行、矿车超 挂、矿车运行超速及双轨错道”等违章和故障现象，研制并使其具有过速保护、 超载保护、车人同行保护、提升勾数记录以及运输信息的检测、显示和存储等功 能；可实现与斜巷提升机之间的电气闭锁、报警、显示、违章记录和数据存储等 综合保护与集中控制管理功能。另外，该系统还具有各车场的道岔及行人位置检 测及显示，具有提升、慢提、下放、慢放、停车、急停、发送、检查、打点、等 信号的监控、存储、打印、报警以及具有道岔不合拢发不出信号、不挂车发不出 信号、安全装备不正常发不出信号等功能。 5 安徽理工大学硕士论文 2 矿井斜巷提升集成监控系统的组成 防跑车装置的监控：具有绞车与挡车装置之间的故障诊断、自动联动控制以 及挡车装置状况报警茹挡车器不正常发不出信号等功能。 防同勾装置的监控：具有自动识别轻、重车经过轨道，自动扳道岔从而避免 斜巷双钩提升系统轻、重车相撞等功能【3 8 1 。 2 2 系统设计思想 该斜巷提升集成监控装置由斜巷运输系统的信号监控、挡车装置的连锁监控、 防错道装置的监控等组成。这几个子系统把采集到的信号输入给嵌入式系统控制 显示1 2 7 1 矧。 系统组成及应用原理如下： 由嵌入式系统的定时器和旋转编码器检测运行速度和车辆位置( 深度指示) 。 利用热释电红外传感器检测是否有行人，以避免人和车同行。 由嵌入式系统的a d 转换模块加上相应的传感器检测电机电流、温度等参数。 应用嵌入式系统的高速计数检测矿车的行程和绞车的速度。 利用分流器和隔离模块检测提升机的电流以判断是否超载，如出现将进行报 警并安全停车。 由嵌入式控制器的g p i o 口和相应的传感器等实现斜巷系统如提升、慢提、 下放、慢放、停车、急停、发送、检查、打点、以及具有道岔不合拢发不出信号、 不挂车发不出信号、安全装备不正常发不出信号等功能；绞车变频器的启动、停 止、急停、复位、合闸、分闸、信号以及提升、下放等信号功能；防错道装置信 号的检测、控制等功能。 利用开车信号和运行行程( 位置) 或利用磁感应开关及l p c 2 1 3 2 的定时计 数器进行防同勾控制并记录提升勾数。 2 3 防同勾子系统 利用h s i 和开关状态及动作顺序检测上次轻车经过的轨道，在提升单轨变双 轨上方1 0 m 左右处，双轨的左右两轨各安装2 3 个磁感应开关。磁感应开关输出 端直接接入l p c 2 1 3 2 的g p l 0 的输入端。矿车经过时，相应的磁感应开关接通，将 开关信号接到可编程控制器的开关量模块的输入端，根据同一轨道上各个开关的 动作顺序，便可检测空车通过哪个轨道下放，将其记忆下来并清除上次记忆的空 车下放的轨道。根据同一轨道上各个开关的动作顺序也可以判断出运输车是下放 还是提升。通过l c d 显示下次重物提升时应该从哪个轨道行驶，杜绝轻车和重车 6 安徽理工大学硕士论文2 矿井斜巷提升集成监控系统的组成 相撞事故等各类事故。防同勾系统的输入信号和输出控制如图2 2 所示。 i 磁感应开关l 1p i n o l 磁感应开关l 1p i n l o u t o - 1 言翥慧灯 l 磁感应开关l 1 i n 2 i 。 l 磁感应开关l 1p 1 1 1 3 0 u t l 一言耄嚣刖 l 磁感应开关l 1p i n 4 l 磁感应开关l 1p i n 5 图2 - 2 防同勾装置输入输出接线图 f i 9 2 - 4 t h e i n p u ta n d o u t p u t w i r i n gc i r c u i t o f t h ed e v i c e f o ra n t i - c r a s hs y s t e m 2 4 提升信号子系统 针对矿井斜巷中易出现的“行人与矿车同行、矿车超重、矿车运行超速”等 违章和故障现象，研制并使其具有过速保护、超载保护、车人同行保护、提升勾 数记录以及运输信息的检测、显示和存储等功能；可实现与斜巷提升机之问的电 气闭锁、报警、显示、违章记录和数据存储等综合保护与集中控制管理功能。另 外，该系统还具有各车场的道岔及行人位置检测及显示，具有提升、慢提、下放、 慢放、停车、急停、发送、检查、打点、等信号的监控、存储、打印、报警以及 具有道岔不合拢发不出信号、不挂车发不出信号、安全装备不正常发不出信号等 功能。 斜巷信号装置输入输出如图2 3 所示。输入模拟量是电机定子电流，通过分 流器和隔离模块检测，再接入l p c 2 2 1 4 的a d 转换的a i n o ，定时中断进行采样， 然后数据处理，一方面用于过载检测，一方面进行显示。旋转编码器脉冲输出端 直接接在高速计数器的计数输入端。使用l p c 2 1 3 2 高速计数器完成对位移和速度 的检测。采用新型热释电红外传感器监测斜井中有没有行人，并最终转换为开关 量输入至嵌入式控制器的g p i o 的输入端。一旦出现故障就报警并进行处理。这样 7 一 安徽理工大学硕士论文2 矿井斜巷提升集成监控系统的组成 就实现了对车人同行，矿车超载、超挂、过速等故障的监控m 盯1 。 l 正m 模块检测l- a i n 0 a d o u t 2 采集模块 i 检测速度i 垒塑堕壁卜 o u t 3 i n 6 l 及行程医i 五函二 一 i n 7 o l i t 4 复位卜_ +i n 8 o u t 5 启动卜_ +i n 9 o u t 6 巷道有人卜+i n l 0 o u t 7 。秸号按钮卜 i n l l o u t 8 2 5 防跑车子系统 图2 - 3 斜巷提升信号装置输入输出接线图 q f i 9 2 - 2t h ei n p u ta n do u t p u tw i r i n gc i r c u i to ft h e d e v i c ef o ro b l i q u el a n es i g n e d 煤矿斜巷提升的安全问题历来为各矿生产所重视。煤矿安全规程中明确规 定，在斜巷提升运输巷道中必有安装可靠的防跑车装置。这种装置分为闭式与开 式两种，常闭式安装于变坡点下方2 0 m 内，挡车栏平时是下放的，有通过时才拉 起，矿车过后又下放；常开式装置安装于斜巷中上部，离变波点较远，平时被吊 挂在巷道上方，当矿车超速时才被下放挡车。闭式装置多由人工操作，开式装备 是自动脱扣，可以一坡多挡安装。目前我国煤矿朝下安装的常开式装置大多是利 用机械原理设计，与脱扣机构连接的拨叉在矿车正常运行时，其碰撞力不能将挡 板放下，超速时碰撞力矩增大，机构脱扣动作，将其吊挂的挡车栏放下。这种装 置结构简单，但不可靠，因为矿车的跑车速度与巷道的坡度，离挡车栏的距离有 很大的关系，弹簧力矩校正困难，合用中往往不是拒动，就是一旦溜车不被挡住， 其后果不堪设想，常有撞坏设置，造成人员伤亡，使生产停顿等事故发生。l 5 i jl b 2 j 。 采用旋转编码器作为测距传感器，嵌入式控制器作为控制核心，嵌入式控制 器对编码器发出的脉冲进行计数，根据计数的结果转换为绞车的旋转角度和旋转 方向，从而判断出矿车现在的位置和运行方向。当检测出矿车的位置在某一道挡 8 安徽理工大学硕士论文 2 矿井斜巷提升集成监控系统的组成 车栏预定提升点时，嵌入式控制器发出上提指令给该挡车栏信号的控制箱，控制 提升电机开始提升挡车栏；当检测出矿车的位置运行到该挡车栏设定的下降点提 升点时，嵌入式控制器发出下降指令给该挡车栏信号的控制箱，控制提升电机开 始下放挡车栏。当发生跑车时，矿车撞击挡车栏，脱扣器开口销受剪切力切断， 脱扣器内传感器动作，嵌入式控制器接收到这一传感器信号，发出报警保护命令， 绞车安全回路断开，各道挡车栏均处于下放到位状态，有效的防止了矿车冲出斜 巷造成更大的事故。轨道斜巷防跑车装置系统原理接线图如图2 4 所示： 绞车电机轴传感器 = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = 提升机电机轴传感器 下放 上提 清零 脱扣器1 脱扣器2 站1 站2 自动 手动 挡车栏上限位1 挡车栏上限位2 挡车栏下限位1 挡车栏下限位2 图2 - 4 防跑车装置接线图 挡车栏上1 挡车栏上2 挡车栏下1 挡车栏下2 f i 9 2 - 4 t h e w i r m g c i r c u i t o f a n t i - n m n i a ga n dc a p t m l n g d e v i c e 一9 故障输出及报警 司 司 j o 佴 6 惦 仃 略 m m m m m m m 2 3 4 5 k 7 8 9 o 1 2 3 4 5 6 m 砒 m m 肌 m 砒 m 屺 地 屺 磁 地 坛 比 安徽理工大学硕士论文2 矿井斜巷提升集成监控系统的组成 2 5 本章小结 本章主要分析了整个系统的设计思想，并分别对防同勾系统、提升信号系统 和防跑车三个子系统的实现原理进行了论述。 一1 0 安徽理工大学硕士论文3 斜巷提升信号子系统 3 斜巷提升信号子系统 煤矿斜巷提升系统是煤矿生产的“血管”，担负着煤、岩和材料的运输任务， 直接左右着矿井生产。它的安全运行是保证煤矿生产顺利进行的前提条件。据统 计，全国煤矿运输事故死亡人数占全部事故死亡人数的20 左右，可见运输事 故是十分严重的。在斜巷提升过程中，因失误或失控导致的矿车超速运输( 跑车) 事故、矿车超载运输事故，矿车超挂事故及其它事故。轻者损坏巷道支护、轨道 和矿车，重者将影响提升机械和人身安全，甚至会引起瓦斯、煤尘爆炸和火灾事 故，造成矿毁人亡的后果。所以本章就斜巷提升信号系统的检测与监控进行分析。 3 1 过速保护装置 在本系统中，选用光电式检测方法来检测提升机的转速。通过安装在电机轴 上的旋转编码器获得电机转速。利用高速计数器定时中断来检测矿车速度，对旋 转编码器的脉冲进行累积即得行程。通过嵌入式控制器内部的高速计数单元来检 测旋转编码器产生的脉冲数，并通过计算得到矿车在斜巷轨道中移动的距离，也 就测定了矿车在斜巷轨道中的相对位置。 3 1 1 旋转编码器原理 旋转编码器是一种可用作高精度角位移传感器、位移传感器及长度测量传感 器的高精度数位传感器，广泛应用于需要位置检测的系统中。光电式检测方法， 就是利用光电组件，对带有槽口( 或栅) 的旋转圆盘的位置进行检测。简单的光 电式检测系统由发光二极管和光敏晶体管组成，当器件的凹槽被物体挡住光线时， 光敏晶体管不导通。而当光线穿过凹槽到达光敏晶体管时，光敏晶体管导通，再 配上适当地信号放大电路，就能产生一系列反映转子位置的脉冲信号。其检测分 辨率高，适用于检测高速运转的电动机。 3 1 2 光电编码器分类 光电编码器按脉冲与对应位置( 角度) 的关系，通常分为增量式光电编码器， 绝对式光电编码器以及将上述两者结合为一体的混合式光电编码器三类。 1 ) 增量式光电编码器 增量式光电编码器实际上是由脉冲发生器及其相应电路组成的测角传感器。 脉冲发生器与被测轴硬性相接，转轴每旋转一周脉冲发生器输出一固定的脉冲数， 安徽理工大学硕士论文 3 斜巷提升信号子系统 因而其输出脉冲的频率与转速成正比。在可逆传动系统中测量转速时为获得转动 方向，可选用具有两相正交输出信号的脉冲式传感器。国产l e c 形增量式光电脉 冲发生器，由) 【 yz 三相输出信号。x 和y 两相信号每转输出脉冲数相同，但 两者相位相差9 0 度，通过检测那一相超前得到转向，控制信号控制可逆计数器对 脉冲进行向上或向下的计数。z 相信号又称为零位信号，每转仅输出一个窄脉冲， 在要求定位的场合使用这一信号。 2 ) 绝对式光电编码器 绝对式光电编码器按照某种码制确定码盘图形，通过电刷，光电或电磁方法 读取图像对应的数码来直接获取角度值。通常码制为二进制和循环码制。根据码 道数n ，按2 n 对圆周分度，编码器的角度分辨率为r = 3 6 0 0 2 n 码道数越大，分 辨率越小，测量越精确。目前绝对式光电编码器己经做到1 8 位。使用绝对式编码 盘测角的缺点是结构复杂、价格昂贵、并行信号传输的引线多和使用维护不便等。 3 1 混合式光电编码器 混合式光电编码器就是在增量式光电编码器的基础上，加装了一个用于检测 永磁同步电机磁极位置的编码器而组成的一种光电编码器。 3 1 3 位移检测方法分析 本系统采用增量式光电编码器。增量式编码器按其输出可以分为差分式与非 差分式，它们的输出信号均为脉冲信号，非差分输出一般有a 、b 两相脉冲，其 高电平接近编码器的工作电源电压，而差分输出一般有a 相、a 非相，b 相与b 非相，a 相与a 非相互为反相，b 相与b 非相互为反相，它们的高电平只有编码 器工作电源电压的一半。不管是差分式还是非差分式的编码器，a 相与b 相的波 形完全相同，仅是存在9 0 。相差。增量式编码器的工作特点如图3 - 1 所示。 图3 - 1 增量式编码器输出脉冲典型波形 f i 9 3 - 1 t h e t y p t = d o u t w a v e f o r m s o f i n c r e m e n t a lr o t a t 7 c o d e r s 编码器只有两个旋转方向，逆时针旋转对应的脉冲输出波形对应图3 - 1 从左 向右的波形，顺时针旋转对应的脉冲输出波形对应图3 - 1 从右到左的波形。如果 1 2 安徽理工大学硕士论文3 斜巷提丹信号子系统 增量式编码器顺时针旋转，则a 相滞后b 相9 0 。；而如果逆时针旋转，则b 相 滞后a 相9 0 。而且，编码器各相的输出电平完全取决于其旋转位置。编码器旋 转一周，a 相与b 相所输出的脉冲数相同，其脉冲数决定了编码器的精度，通过 从编码器读取脉冲数，则可以计算出其相对的角位移量。如果有一个预置的位置， 则可以计算出其绝对位置。 检测a 相一个周期中的同一个边沿位置，如果在此边沿位置检测到一个上升 沿，则对应编码器的一个旋转方向；如果在此边沿位置检测到一个下降沿，则对 应编码器的另一个旋转方向。b 相为高电平时，若检测到a 相为上升沿，则可 判断出编码器输出波形的运动方向为从左向右，即编码器为逆时针方向旋转；若 检测到a 相为下降沿，则可判断出编码器输出波形的运动方向为从右向左，即编 码器为顺时针方向旋转；b 相为低电平的情况可类推。 3 1 4 测速方法分析 转速检测的正确性和精度将直接影响制动力矩检测的正确性和精度。而影响 转速测量性能的因素有两个：一是系统硬件本身，主要包括光电编码器的脉冲数 和微处理器的精度，但系统一旦确定，由硬件引起的差异就难以更改。二是速度 估计算法，不同的速度估计算法可以得到不同的速度检测性能。 采用编码器测量转速主要有三种方法：m 法、t 法和m 厂r 混合法。 1 1 m 法测速 m 法测速是在规定的时间t ( 即采样周期，单位为s ) 内，对编码器输出脉冲 数m l 进行计数。设码盘转一周输出的脉冲数为n ，则转速为： 竹里堕，r m i n ( 3 1 )竹_ 二一，r m 1l j l j z m 法测速适合测高转速，因为在n 和t 固定的条件下，高转速时较大，误 差较小。 2 ) t 法测速 t 法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的问隔时间来计算转速的测速 方法。 时间的测量由一个计数器对已知频率的时钟脉冲进行计数求得。在码盘输 出一个脉冲周期内( 或两个脉冲之间) 对高频时脉冲个数进行计数。设时钟脉冲 的频率为f n 为码盘转一周输出的脉冲数，则转速为： ；l 。生，r m i n( 3 2 ) n + m 2 1 3 安徽理工大学硕士论文3 斜巷提升信号子系统 为了减小误差，不能太小，所以t 法测速适合测量低转速。 3 ) m t 混合法测速 m 厂r 混合法是集成m 法和t 法的优点的一种方法。在高速时用m 法测速， 在低速时用t 法测速。这样可以适当地减小误差。 考虑到a r m 高速计数器的特点，本系统中采用m 法测转速。使用每转输出5 0 0 0 个脉冲的旋转编码器。 3 1 5 光电编码器接口电路设计 光电编码器与电动机主轴直接相连接，从而使编码器转速与电机转速完全一 致。脉冲输出端直接接在l p c 2 1 3 2 的定时器0 ( p 0 1 7 ) 口上，并设置其为计数模 式即可。 3 2 超载检测装置 超载检测，也就是检测矿车装载质量是否超过额定值。根据提升机定子电流 与所发出的拖动力成正比，即与作用在提升机滚筒上的拖动力成正比。系统采用 导线分流器将矿车电机的大电流分流再经奥马特隔离模块送至l p c 2 2 1 4 检测提 升机的电流是否超载。该种模块可以测量任意波形的电流和电压副边电流忠实地 反映原边电流波形，如直流、交流、脉冲波形等，甚至可测瞬态峰值 3 2 1 奥马特信号转换隔离模块 根据系统设计要求，作者选用了奥马特信号转换隔离模块，将输入电压进行 转换，其主要技术参数如下：输入信号：0 5 、1 5 v , 0 1 0 m a , 0 2 0 m a , 4 2 0 m a , 0 1 0 v , 5 v + 5 v i o v + i o v 及其他用户特定规格；输出信号：o 5 v l 5 v , 0 1 0 v , - 1 0 v + 1 0 v o 1 0 l n a0 2 0 m a , 4 2 0 m a , 2 0 4 i n a 5 o v 及其 他用户特定规格；电源：直流2 4 v ，1 5 v ，1 2 v ，1 2 v ，交流2 2 0 v 或其他 用户特定规格；输入阻抗：i o o k o ( 电压输入) 5 0 f 2 ( 电流输入) ；输出负载 电阻：5 k q ( 电压输出) 2 5 0 q ( 电流输出) ；精度：0 2 ；线性度：0 1 ；温度 系数： 1 5 0 p p m ；频率响应： 防同勾子系统画面，然后再循环。按键连接l p c 2 2 1 4 的p 1 1 3 口，如 图6 3 所示。 6 3 3l c d 接口设计 v c c p 1 1 3 l p c 2 2 1 4 图6 - 3 键盘连接示意图 f i 9 6 - 3h a r d w a r ec o n n e c t i o no fk e y b o a r da n dl p c 2 2 1 4 本系统有大量参数和信号状态需要进行显示，包括行程，速度，现场的i o 开关量等，所以作者采用了深圳迪威公司d v 3 2 0 2 4 0 g b 显示器。d v 3 2 0 2 4 0 g b 是 一款内含硬件字库的图形点阵液晶显示器【1 1 i 。它主要采用动态驱动原理由行驱动 一控制器和列驱动器两部分组成了3 2 0 ( 列) 2 4 0 ( 行) 的全点阵液晶显示，编程模 式简洁方便。采用了s u m s u n g 公司s m t 的封装方式，性能稳定。主要有以下 特点： 内建7 6 0 2 个常用简体字库，国家标准g b 码字库； 内建对比度调节电路，可软件设置对比度； 内建多组半宽字符( a s c i i 码1 ，方便编程； 内建粗体字型和行距设定； - 2 6 安徽理工大学硕士论文6 矿井斜巷提升集成监控系统硬件设计 提供显示屏幕水平卷动和垂直拖动功能； 提供单个字符反白显示和n 行反白显示； 提供简单4 级灰度显示功能； 提供中英文对齐不对齐功能； 全屏幕点阵，点阵数为3 2 0 ( 列) 2 4 0 ( 行) ，可显示2 0 ( 列) 1 5 ( 行) 个( 1 6 x 1 6 点阵) 汉字，也可完成图形，字符的显示。 d v 3 2 0 2 4 0 g b 共有8 路并行输入输出管脚，分别与l p c 2 2 1 4 的p 1 o - p 1 7 连 接，还有5 路控制管脚( 包括使能，时钟等) 分别与l p c 2 2 1 4 的p 1 8 p 1 1 2 进行 连接。 d v 3 2 0 2 4 0 g b 与l p c 2 2 1 4 的连接如图6 4 所示。 1 1 0 一p 1 7 8 位地址部线 、r 、 ，l j 、 5 位控制总线 p 1 8 p 1 1 2 、q p 一一 2 2 1 4 d v 3 2 0 2 4 0 g b 图6 - 4l p c 2 2 1 4 与l c d 硬件连接示意图 f i 9 6 4 h a r d w a r ec o n n e x i o no fl p c 2 2 1 4a n dl c d 6 3 4 输入开关量信号的采集 l p c 2 2 1 4 有多路开关量输入信号，包括系统复位，系统启动，巷道有人信号， 信号按键以及磁感应开关信号等。本系统所用到的输入信号与l p c 2 2 1 4 的连接如 表6 - 2 所示。 表6 - 2l p c 2 2 1 4 输入管脚分配表 t a b 6 - 2p i na l l o m e n to fl p c 2 2 1 4i n p u t 功能l p c 2 2 1 4 连接管脚 磁感应开关l 1 p 0 1 磁感应开关l 2 p 0 2 磁感应开关l 3p 0 3 磁感应开关r 1p 0 4 ， 磁感应开关r 2p 0 5 ” 安徽理工大学硕士论文6 矿井斜巷提升集成监控系统硬件设计 磁感应开关r 3 p o 6 复位 p 0 7 启动 p 0 8 巷道有人 p 0 9 信号按键 p 0 1 0 6 3 5 输出开关量信号的连接 l p c 2 2 1 4 输出开关量信号主要有提升信号子系统的超载、过速、警告、停车、 急停、人车同行、超挂等信号以及防同勾系统的左右扳道信号等系统输出开关量 控制信号与l p c 2 2 1 4 的g p l 0 连接如表6 3 。 表6 - 3l p c 2 2 1 4 输出管脚分配表 t a b 6 - 3p i na f i o m e to fl p c 2 2 1 4 o u t p u t 功能l p c 2 2 1 4 连接管脚 向左扳道指示灯 p 0 1 1 自动向左扳道 向右扳道指示灯 p o 1 2 自动向右扳道 超载 p 0 1 3 过速 p 0 1 4 警告 p 0 1 5 停车 p o 1 6 急停 p 0 1 7 车人同行p 0 1 8 超挂p 0 1 9 6 3 6u a r t 通信协议 所有i s p 命令都以单个a s c i i 字符串形式发送。字符串应当以回车( c r ) 和或换行( l f ) 控制字符作为结束。多余的 和 将被忽略。所有i s p 的 响应都以 结束的字符串形式发送。数据以u u 编码格式发送和接收。 i s p 命令格式 “命令参数p 参数- 1 参数n ”k 数据”( 只适用于写命令) 2 8 安徽理工大学硕士论文6 矿井斜巷提升集成监控系统硬件设计 s p 响应格式“返回代码( c r 响应0 响应i 晌 壶c r ”数据”( 只适用于读命令) i s p 数据格式 数据流采用u u 编码格式。u u 编码算法将3 字节二进制数据转换成4 字节 可打印的a s c i i 字符集。该编码的效率高于h e x 格式。h e x 格式将1 字节二进 制数据转换成2 字节a s c i ih e x 数据。发送器应当在发送2 0 个u u 编码行之后 发送校验和。任何u u 编码行的长度都不应超过6 1 个字符( 字节) 。也就是说它 可以保持4 5 个数据字节。接收器应当将该校验和与接收数据的校验和相比较。 如果校验和匹配，接收器响应“o k ”，并等待下一次发送。如果校验 和不匹配，接收器响应“r e s e n d ”。作为响应，发送器应当将字节重 新发送。 6 4l p c 2 1 3 2 接口电路设计 l p c 2 1 3 2 通过u a r t 口与l p c 2 2 1 4 通讯进行数据传输，它主要功能是通过高 速计数器检测旋转编码器输出的脉冲，从而完成绞车速度和行程的测定，另外还 有防跑车系统的挡板控制，上提下放绞车，警告指示等开关量输入输出功能，下 面逐一进行分析。 6 4 1 高速计数器 l p c 2 1 3 2 内嵌有2 个定时器，分别为定时器0 和定时器1 ，可用于计数功能。 作者通过与电机同轴的光电旋转编码器检测绞车的速度，再由l p c 2 1 3 2 的定时器 0 ( 用于计数功能) 进行采集。由光电旋转编码器输出a ，b 两路正交脉冲，再由 相位检测模块判断绞车运行方向( 有些旋转编码本身就输出一路运行方向信号) 。 将一路高速计数脉冲( 这里作用选用b 路信号) 加在定时器0 上，这样通过软件 在固定采样周期内对旋转编码器输出的脉冲进行采样，其脉冲计数可作为绞车的 速度值，根据检测得到的运行方向，对计数脉冲值进行累积，可作为绞车所挂矿 车的运行位置值( 即行程) ，并有每勾同步校正等功能。 一2 9 安徽理工大学硕士论文6 矿井斜巷提升集成监控系统硬件设计 图6 - 5 相位识别硬件原理图 f i 9 6 - 5p h a s i ci d e n t i f i c a t i o n 6 4 2 输入开关量信号 l p c 2 1 3 2 主要功能除了检测绞车的位置和速度外，就是控制防跑车系统，防 跑车装置的主要作用就是判断矿车位置、s 速度和进行相应的控制、保护等工作。 防跑车系统的输入信号与l p c 2 1 3 2 的连接管脚分配见表f i - 4 。 表6 - 4l p c 2 1 3 2 输入管脚分配表 t a b 6 - 4p i na l l o m e n to fl p c 2 1 3 2i n p u t 功能l p c 2 1 3 2 连接管脚 下放 p o 1 上提 p o 2 清零 p o 3 脱扣器1 p o 4 脱扣器2 p o 5 站1p o 6 站2p o 7 自动 p 0 8 手动 p 0 9 车栏上限位1 p o 1 0 车栏上限位2 p 0 1 1 车栏下限位1 p o 1 2 车栏下限位2 p o 1 3 3 0 安徽理工大学硕士论文6 矿井斜巷提升集成监控系统硬件设计 6 4 3 输出开关量控制 l p c 2 1 3 2 输出开关量主要用于防跑车子系统的输出控制，包括挡车栏上下、 故障输出与报警、以及绞车正反转等信号。防跑车子系统输出控制信号与 l p c 2 1 3 2 的g p l 0 连接如表6 5 。 6 5 本章小结 表6 - 5l p c 2 1 3 2 输出管脚分配表 t a b 6 - 5p i na l l o m c n to fl p c 2 1 3 2 o u t p u t 功能l p c 2 1 3 2 连接管脚 挡车栏上1 p 0