基于LPC1788的矿用带式输送机综合保护控制器的设计与研发

摘要

目前我国大多数煤矿使用的带式输送机综合保护控制系统主要是采用PLC 作为主控制器，配以外围的继电器电路和防爆外壳组成。这种控制器具有体积大、维修不方便、功能可扩展性差等缺点。还有一部分以单片机为控制芯片的控制器存在通信种类少、功能单一、程序维护不方便等缺点。针对这种情况本文设计开发了一套功能种类多、支持多种通信方式、可扩展性强以及体积小、能够进行程序远程维护的带式输送机综合保护控制器。本控制器还具有一定程度的自动控制功能，良好的人机界面。通过实验室的初步功能测试，功能实现良好，各项指标符合实际工业要求，能够满足生产需求。主要研究内容如下： 1. 设计了带式输送机综合保护控制器总体架构，根据实际工况设计了四种工作模式分别是集控、就地、检修和点动，对主要保护的传感器进行了选型通过分析各传感器的电器参数制定了控制器的功能需求。 2. 根据功能需求制定了带式输送机控制器硬件的总体方案，完成了核心电路的选型设计以及制作。其中包括CPU最小系统电路、LCD接口电路、键盘接口电路、信号采集电路、系统外加存储器的接口电路、通讯接口电路以及语音模块的电路等。此外还针对矿井下电磁干扰比较多的情况对PCB板进行了合理的布线，主控制板采用4层板，能够有效的抵御干扰。全面提升了控制器的稳定性。 3. 设计了带式输送机控制器的软件结构，通过模块化的设计思路将整个控制器按功能划分模块分别对其进行编程。为了充分利用CPU资源，使软件系统运行高效稳定，本控制器加入了嵌入式操作系统 μC/OS-II。同时为了能够在远程对控制器代码进行维护还加入了 IAP 功能。最后阐述了系统应用程序，包括RS-485、CAN和以太网三种通信方式的软件设计、各种保护功能模块的软件设计和整个系统的数据采集与处理方法。 4. 在实验室条件下对整个控制系统进行了功能验证，首先设置好相应的参数，然后将各种传感器信号输入到控制器，由于设备有限在实验室条件下利用现有的设备对各种传感器信号进行了模拟。通过多次的功能验证，控制器性能稳定、可靠，能够满足带式输送机的控制和保护需求。人机界面交互良好，通过键盘能够达到很好的控制输入功能，具有较高的使用价值。

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摘 要

ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 本论文研究的背景和意义

1.1.1 论文研究背景

1.1.2 论文研究意义

1.2 国内外带式输送机的保护控制现状

1.2.1 国外带式输送机控制技术研究现状

1.2.2 国内带式输送机控制技术研究现状

1.3 矿用带式输送机保护控制系统发展趋势

1.4 论文研究主要内容及技术路线

第二章 控制系统总体架构及功能需求

2.1 带式输送机综合保护控制系统总体架构

2.2 带式输送机控制模式介绍

2.2.1 集中控制方式

2.2.2 就地控制方式

2.2.3 检修控制方式

2.2.4 点动控制方式

2.3 各种故障原因及监测方式

2.3.1 胶带纵向撕裂监测

2.3.2 带式输送机打滑、超速、断带监测

2.3.3 带式输送机跑偏监测

2.3.4 带式输送机温度监测

2.3.5 带式输送机堆煤监测

2.3.6 带式输送机烟雾监测

2.4 带式输送机综合保护控制器功能需求

2.5 本章小结

第三章 带式输送机综合保护控制器硬件设计

3.1 带式输送机综合保护控制器硬件整体结构

3.2 核心电路选型设计

3.2.1 控制器CPU选型

3.2.2 电源电路设计

3.2.3 复位电路设计

3.2.4 时钟电路设计

3.2.5 程序下载接口（JTAG）电路设计

3.2.6 屏幕（LCD）接口电路

3.2.7 信号采集电路

3.2.8 键盘接口电路

3.3 系统存储器接口电路

3.4 系统通讯接口电路

3.4.1 RS-485通讯电路

3.4.2 CAN总线通讯电路

3.4.3 以太网通讯电路

3.5 语音模块

3.6 硬件电路布局

3.7 本章小结

第四章 带式输送机保护控制器软件设计

4.1 软件开发环境搭建

4.2 嵌入式操作系统

4.2.1 μC/OS-II简介

4.2.2 μC/OS-II移植

4.2.3 任务管理

4.3 系统软件架构

4.4 远程程序下载设计（IAP）

4.4.1 远程程序下载（IAP）实现原理

4.4.2 远程程序下载（IAP）实现

4.5 系统应用程序设计

4.5.1 RS-485通讯程序

4.5.2 CAN通讯程序

4.5.3 以太网通讯程序

4.5.4 故障处理子程序

4.5.5 数据采集与数据处理程序

4.6 本章小结

第五章 系统程序功能调试

5.1 显示界面介绍

5.2 参数设置

5.3 保护调试

5.3.1 急停保护

5.3.2 堆煤保护

5.3.3 超温保护

5.3.4 跑偏保护

5.3.5 打滑、超速及断带保护

5.3.6 撕裂保护

5.3.7 设备掉线

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致 谢

作者在攻读硕士学位期间的研究成果