矿井风机温度的实时采集与控制系统.docx

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1、矿井风机温度的实时采集与控制系统王利伟;王大虎;查小菲【摘 要】Air blower is one of the most important equipments for the safety in mine production.Based on the working condition of air blower,AT89C52 single chip microcomputer,the labview roller temperature of blower and the design scheme of online monitor and control system of m

2、otors winding temp,hardware and software configuration of the system and each application function module have been introduced in this article.The collection,processing,presentation,record and early warning of data of mine air blowers signal can be realized through labview the platform.Through a goo

3、d labview man-machine interface,operators can demonstrate the dynamically-monitored real-time data and the changing state of parameters.This system can be used into the design of digital measure scope owes to its high stability,high precision and accuracy and provides a new intellectualized manner t

4、o test the malfunctions of mine air blowers.%防爆通风机是煤矿安全生产的重要设备,针对矿井通风机的工作状态,提出基于 AT89C52 单片机、LabView 的风机轴温、电动机绕组温度的实时监测与控制的设计方案,并给出系统总体结构,系统软硬件结构和各应用功能模块.通过LabView 平台,实现对矿井风机信号的数据采集、处理、显示、记录和报警等功能.利用 LabView 良好的人机交互界面,可方便工作人员实时得到所检测到的实时数据、参数变化状态.该系统稳定可靠、精度高、准确性好,可用于全数字化检测仪的设计中,为风机故障检测提供了一种新的智能化手段.【期

5、刊名称】河南理工大学学报（自然科学版）【年(卷),期】2011(030)004【总页数】5 页(P448-452)【关键词】矿井风机;温度测量;虚拟仪器;LabView【作 者】王利伟;王大虎;查小菲【作者单位】河南龙宇能源公司陈四楼煤矿,河南永城 476600;河南理工大学电气工程与自动化学院,河南焦作 454000;河南理工大学电气工程与自动化学院,河南焦作 454000【正文语种】中 文【中图分类】TP2710 引 言矿用 FBCZ 防爆抽出式轴流通风机在煤矿生产设备中具有关键性的作用,要保证煤矿生产的安全，就必须要保证矿用通风机的运转正常矿用 FBCZ 防爆式通风机在实际应用中经常会遇

6、到风机轴温和电动机绕组温度过高而出现故障，使其不能正常工作因此,对煤矿风井 FBCZ 防爆式通风机的温度故障检测具有重要意义1工作状态下通风机的温度检测主要包括在线实时测量通风机主轴轴承的温度、电动机绕组温度等本文通过对煤矿安全生产中的通风机实际工作状态分析，提出了一种基于虚拟仿真软件 LabView 和 AT89C52 单片机的矿井通风机工作状态的在线实时测控系统利用本系统可以快速检测到风机主轴轴承的温度、电动机绕组线圈温度，同时利用 LabView 方便地制作出虚拟仪表，在操作界面上清楚地显示通风机在实际工作状态下这些关键部位的温度参数，从而实现对矿用通风机性能的在线实时监控功能虚拟仪器利

7、用 PC 计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果结合 PC 计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，然后由 I/O 接口完成所需要信号的采集、测量，进而完成各种测试功能软件开发是虚拟测试系统的关键部分，在众多的开发软件中又以美国国家仪器公司开发的图形化编程语言 LabView 应用最广、功能最强 煤矿生产受限于自身恶劣的工作环境，矿用生产设备的安全检测一直以来都受到各 种因素的影响矿用 FBCZ 防爆式通风机的温度测量常常受风机转动产生的巨大震动和高速流动的高温气体的影响，这些影响因素有一个共同特点：温度高、变化快、响应时间短，难测量本文采用 La

8、bView 作为系统开发平台，搭建系统软件，结合集成电路温度传感器组成一个简单的、易于维护和扩展的温度测量模块，同时借助于 PC 计算机本身串口与下位控制机进行串行通讯，完成对风机温度的实时测量与反馈控制1 系统硬件设计系统硬件由 PC 计算机、单片机、测温电路和温度控制电路组成，系统结构见图1测温传感器选用 STT-A 铂电阻温度传感器，将 STT-A 铂电阻温度传感器固定在风机的主轴和电动机前后轴承上当 FBCZ 防爆式通风机处于工作状态时， STT-A 铂电阻温度传感器将会获取通风机主轴和绕组上的温度信号由 AT89C52单片机组成的测温电路系统对温度信号进行采集、滤波、转换，将通风机主

9、轴和绕组的温度变化转换成电流变化STT-A 铂电阻温度传感器采集的信号输送到数据采集卡 PCI-6021 的 A/D 接口,将 0150 的动态温度信号由温度变送器 KFJ- WD-5 变为 420 mA 的变化电流信号2，这些代表着通风机温度的电流信号源经 AI 模块、NI 采集卡内部电流温度转化程序转换成相对应的摄氏温度值接着PC 计算机借助于 RS232 与 RS485 转换接口装置，通过 RS232 串口线与AT89C52 单片机相连，单片机将采集到的温度数据传输到计算机上由 LabView 搭建的温度分析电路部分读入信号，经 PID 控制算法分析处理读取的数据，计算出系统所要输出的信

10、号值，然后再由串口线将最终分析得到的信号传输到终端温度反馈电路，完成对风机温度的控制31.1 温度测量电路温度测量电路由温度传感器和信号调理电路两部分组成，温度检测电图见图 2系统温度传感器选择 STT-A 铂电阻温度传感器和 DS18B20 单总线的温度传感器STT-A 铂电阻温度传感器带有弹簧顶紧结构，使测温面和被测对象紧密接触， 测温迅速准确，广泛应用于模具、轴承等温度的测量，且有良好的长期稳定性：在400 时持续 300 h,0 时的最大温度漂移为 0.02 其测温范围为-200 650 ，精度可达 0.041 7 ，最大转换时间为 50 ms，而且灵敏度高，复现性好，热电动势的线性度

11、及在 1 000 下的抗氧化性能良好DS18B20 是单总线的温度传感器，采用 1-Wire 总线接口，温度测量跨度宽、精度高、响应时间短，在实际使用中可实现-55125 内精确度为 0.06 信号调理电路主要用于原始信号滤波和放大，使其满足 ADC0809 转换器输入端参数要求3STT-A 铂电阻温度传感器的温度特性曲线是非线性的，在 0850 内铂电阻阻值与温度的函数关系式为:RT=R0(1+AT+BT2),式中：R0 和 RT 分别为 0 和 T 时 STT-A 的阻值,所用 Pt100 的参数 A=(3.908 310-3)-1,B=(-5.77510-7)-2,RT=V0，Ie 恒流

12、源 Ie=1 mA,V0 为 T 时信号调理电路送入采集卡的电压,可见只有 T 是未知量,利用 LabView 中的公式节点 Formula Node 实现二次函数的计算,即可得到被测温度 T1.2 温度控制电路温度控制电路由继电器、过热保护电阻 R、热敏电阻 MZ6-101T80、安全电容、光电耦合器 MOC3401 和双向晶闸管 BT138-600 组成，温度控制电路见图 3当通风机开始运行后，整个电路接通电源，温度控制电路开始工作在温度控制电路中加热电阻 R 两端加载 220 V 交流电压，电阻R 与继电器连接在一起，通过继电器控制通风机的运行，而且电阻 R 可以为热敏电阻 MZ6-10

13、1T80 提供过热保护通风机温度测量电路将风机主轴、电动机绕组温度信号经电路右端传输送入AT89C52 单片机，使单片机接收并发出相应脉宽调制(PMW)控制信号当 FBCZ 防爆式通风机处于正常工作状态时，AT89C52 单片机发出控制信号使光电耦合器 MOC3401 的二极管导通，使 VU2 的控制极处于高电平，VU2 处于导通状态，电路出于导通状态，从而电阻 R 工作；当风机轴温达到上限时，由传感器得到的温度信号经运算放大器后，使单片机发出反馈信号，调整光电耦合器中的二极管电平，使其不导通，从而 VU2 控制极处于低电平，VU2 不导通，使R 不工作，通过继电器起到关闭风机的作用；同时单片

14、机发出报警信号，向上位机报警电路用光电耦合器能够有效降低煤矿通风机检测环境对系统的影响，以增强系统的稳定性和数据的真实性1.3 信号采集系统抗干扰设计在实际采煤生产中，需要大量的大功率机械设备同时运行，因为各种设备对电压， 电流和频率的要求不同，煤矿生产现场就存放着各种晶闸调压装置、变频调速装置， 等等同时设备通电导线摆放密集，随着这些大型设备的启动、停止也会产生各种 干扰电流，对系统产生一定程度的影响因此系统需要设计抗干扰措施.(1) 针对干扰源考虑到电源对单片机的影响，本系统选用本安开关电源,以减小电源噪声对单片机的干扰，提高抗干扰能力.(2) 针对敏感元件系统采用具有较强抗干扰能力的 S

15、TT-A 铂电阻传感器,布线时减少回路环面积，降低感应噪声，同时电源线和地线要尽量粗，减小压降和耦合噪声2 系统软件设计2.1 PC 机系统软件设计LabView 是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发，类似于 C 开发环境，是一个功能强大的仪器和软件应用开发工具LabView 使用图形化编辑语言 G 编写程序，这是一种基于数据流的图形化编程方式，G 语言还包含有数据结构、结构类型、语法规则等有关编程的基本元素PC 机系统软件主要生成一个简洁的系统操作界面，并完成对温度信号的采集、温度结果的显示和存储这些记录以及通过操作界面完成反馈控制功能4-5LabView 的测控系统软件采

16、用模块化的思想编写，该系统软件主要由信号数据采集、LabView 数据处理、数据报警等系统主控模块组成(1) 温度信号采集模块.温度信号数据采集模块将铂电阻温度传感器采集到的温度信号转化为数字并传递到计算机LabView 有自己的数据采集函数，数据采集函数通过对采集信道进行数据采集, 再把结果储存到已设置好的缓存中,并根据设定的采样参数，函数自动返回采样数据LabView 就是通过数据采集功能函数： FunctionsDataAcquisitionAnaloginputAnaloginputUtillitiesAiContinuo usScan 来实现这一任务的当信号数据采集模块采集通风机主轴

17、温度信号时， 得到的只是一组离散数据，将离散数据导入 LabView 中图形显示控件中，则 PC计算机会根据图形显示控件信号在 PC 显示窗口通过逐点描线方式生成实时的温度信号6(2) 数据处理模块.在实际 FBCZ 防爆式通风机轴温监测中，存在风机自身运行噪声大，各种通电导线耦合干扰多的现象为了减少对采样数据的干扰，提高所测温度的准确性，需要在对所采集数据处理之前，对其进行 RC 低通滤波、放大、 转化A/D 首先对传感器采集的信号通过 RC 电路进行低通滤波处理，去除原始信号中的中高频噪声、保留低频信号，并对其取均值处理作为实际信号值，因为中值滤波既可去掉脉冲干扰，又可对采样值进行平滑处理

18、提高数据处理质量，中值平均滤波程序见图 4然后通过三运放集成放大器 AD623 对信号进行低失调、低漂移线性放大其放大倍数 G 由增益电阻 R 决定，R=100 G-1采集的数据以二维数组的形式送到增量式 PID 控制器的输入端口，然后采用 PID 算法进行控制，为减小运算量，采用增量式形式：式中:u(k)=u(k)-u(k-1);u(k)为第 K 次控制器输出值；e(k)为给定值与系统输出值之差；KP 为控制器比例系数；KI 为控制器积分系数；KD 为控制器微分系数；T0 为采样周期，在程序中为程序循环一次所需时间调节系统参数使 u(k)作为控制信号送入 Square Waveform.vi

19、 的 dutyCircle 端加以控制PID 处理后,控制输出量经过数据采集卡的输出通道输出(3) 数据报警模块.当矿用通风机主轴温度高于通风机安全设定温度时系统发出非安全报警信号，这一功能由数据存储程序中的报警模块来实现当系统采样数据分析处理后得到的通风机温度超过风机安全温度时，系统安全指示灯变成红色，打开扬声器并传递报警声音函数使其发出报警声，从而引起系统操作人员的注意，以便及时切断电路，启用备用通风机，保证煤矿正常安全生产，同时系统会对报警数据进行存储，数据存储程序见图 52.2 单片机程序设计AT89C52 是 51 系单片机的一个型号，是低电压、高性能 CMOS8 位单片机，支持 C

20、 语言编程，具有 2 个全双工串行通信接口，3 个 16 位可编程定时计数器，2个读写口线，适用于复杂控制系统，系统程序和界面见图 6 和图 7初始化系统时， 设置 AT89C52 单片机的定时器 T0 的 TMOD 为定时模式，作为系统控制时间的产生器设定 AT89C52 的定时器 T1 的 TMOD 为定时模式，工作方式为 2，产生系统串行通信所要求的波特率为 9600然后再调整串行口工作为定时模式，方式为 1，使每帧数据有 1 个起始位，8 位数据位，1 位停止位当 T0 处于中断程序时，系统就自动将采集到的温度数据经数据线传输到 PC 机上，PC 机处理后由单片机输出控制量，完成通风机

21、温度的控制3 结 语本系统采用图形化编程软件 LabView 快速搭建好系统平台，结合 AT89C52 模块化硬件，建立一个灵活、易扩展的控制系统，通过简洁的控制操作界面实时显示被测温度，使系统操作人员随时清楚通风机的工作状态通过实际实验证明，本系统测量精度高，稳定性好，能够满足矿井安全通风需要参考文献：1 贺世正,应秉斌.基于虚拟仪器的通风机动平衡测试系统的开发J.风机技术,2006(4):33-35.2 刘君华.现代测试技术与系统集成M.北京:电子工业出版社,20043 王雪文，张志勇.传感器原理及应用M.北京：北京航空航天大学出版社， 2004.4 杨乐平. 高级程序设计M.北京:清华大学出版社,2003.5 杨乐平,李海涛,杨磊. 程序设计与应用M.2 版.北京:电子工业出版社,2006:215- 223.6 胡文彪,马伟明.基于 Lab View 的电动机数据采集系统J.海军工程大学学报,2005,17(3):63-65.7 张廷顺.矿井运转通风机性能测定方法J.焦作工学院学报：自然科学版， 2001， 20(6)：491-421.