專利名稱：基于mcu的礦用自動控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦抽放瓦斯泵站內(nèi)用于控制蝶閥及泵運行的自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng) 可將礦井內(nèi)的多個控制點集中自動控制，屬于自動化控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前在煤礦行業(yè)內(nèi)對礦井抽放泵站內(nèi)蝶閥和泵的控制基本上都是運用PLC方案 來解決，但是由于礦井中需要對存在爆炸性氣體的危險環(huán)境進行多點控制，因此采用PLC 方案存在很大的缺陷，主要體現(xiàn)在以下幾個方面
1、PLC方案中所有執(zhí)行機構(gòu)和主控制器都是集中放在一起的，其結(jié)構(gòu)在設(shè)計時即為一 個整體而且難以更改，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于煤礦抽放泵房等控制點極多的環(huán)境中實現(xiàn)集控時， 各個區(qū)域的控制點都必須向PLC所在位置鋪設(shè)控制和采集電纜，因此造成了 PLC上連接的 電纜極多，一旦某個控制點出現(xiàn)故障，盤查故障會非常困難，而且要對PLC增加控制點時， 施工也非常麻煩，并且在增加控制點的時候同時也必須向PLC主控器安裝處鋪設(shè)相應(yīng)的電 纜，這對于已經(jīng)規(guī)劃好的礦井來說施工難度相當大。2、由于PLC內(nèi)的程序是在設(shè)計制作時預(yù)先植入的，其對應(yīng)的邏輯控制關(guān)系和邏輯 控制條件在植入程序時就已經(jīng)確定，因此若要更改PLC內(nèi)的邏輯控制關(guān)系或者邏輯控制條 件必須由PLC專業(yè)人員進行重新編程，這種方式很不靈活，給普通人員操作帶來了很大的 難度，使得系統(tǒng)的通用性較差。3、目前的PLC控制輸出通常都需增加專門的控制繼電器，在安裝時每個終端機構(gòu) 都需要單獨配置相應(yīng)的繼電器柜，這使得接線時既麻煩又增大了工作量，還容易發(fā)生線路 故障，同時由于在PLC內(nèi)集成了主控制器和執(zhí)行機構(gòu)，各個裝置的連接線纜交錯縱橫，并且 很難做到本質(zhì)安全，使用時存在引起爆炸的安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明的主要目的在于解決目前煤礦行業(yè)中用于控 制瓦斯泵站內(nèi)蝶閥及泵運行的自動控制系統(tǒng)采集電纜太多，容易出現(xiàn)線路故障而且難以盤 查的問題，而提供一種在現(xiàn)場施工時接線簡單、控制可靠，并且操作靈活，使用安全的礦用 自動控制系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案基于MCU的礦用自動控制系統(tǒng)，其特征在于，包括主控制器和 執(zhí)行器，所述執(zhí)行器有若干個并分別與主控制器連接；在主控制器內(nèi)設(shè)有采用FPGA芯片的 中心處理器，在所述中心處理器上連接有觸摸液晶屏、存儲器以及若干個小液晶顯示屏；所 述執(zhí)行器以MSP430單片機為處理核心，所述MSP430單片機通過RS485總線與中心處理器 連接，在MSP430單片機的輸出端并聯(lián)有若干個驅(qū)動電路模塊和若干個終端狀態(tài)采集電路 模塊，在每一個驅(qū)動電路模塊上均連接有一個用于連接終端機構(gòu)的繼電器；所述中心處理器、MSP430單片機、觸摸液晶屏和小液晶顯示屏均由本安電源供電；所述主控制器工作時， 由觸摸液晶屏向中心處理器輸入控制參數(shù)，中心處理器根據(jù)所述控制參數(shù)向執(zhí)行器內(nèi)的 MSP430單片機發(fā)送控制命令，MSP430單片機根據(jù)所述控制命令控制對應(yīng)的驅(qū)動電路模塊 和繼電器并驅(qū)動終端機構(gòu)動作；所述終端機構(gòu)執(zhí)行動作后，終端狀態(tài)采集電路模塊采集終 端機構(gòu)的狀態(tài)信號并反饋給MSP430單片機，所述MSP430單片機將所述狀態(tài)信號發(fā)送給主 控制器內(nèi)的中心處理器，中心處理器通過小液晶顯示屏和觸摸液晶屏輸出顯示。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果
1、本發(fā)明的自動控制系統(tǒng)將采集控制模塊(即執(zhí)行器)擴展到了被控設(shè)備現(xiàn)場，在采集 控制模塊與主控制器之間均采用RS485總線傳輸，從而解決了 PLC主控制器處電纜繁多、施 工麻煩、故障排除困難的問題，這樣現(xiàn)場施工時接線更加簡單，控制更加靈活、可靠，節(jié)省了 電纜，還達到了降低成本的目的，同時還解決了 PLC控制輸出需增加繼電器柜的問題，通過 采用單元集成的結(jié)構(gòu)形式使得設(shè)備更加簡化、高效，線路故障大大減少，特別適合在井下空 間比較狹小的環(huán)境中安裝。2、操作時更加靈活在主控制器中采用了可靈活編寫和修改控制程序的FPGA芯 片作為中心處理器(即MCU)，以及在執(zhí)行器中采用MSP430單片機來與中心處理器進行數(shù)據(jù) 傳遞，不僅使得系統(tǒng)的處理速度更快，更重要的是通過中心處理器可以隨時更改控制終端 機構(gòu)的邏輯控制條件和邏輯控制關(guān)系，而且無需依賴專業(yè)人員，一般的經(jīng)過簡單培訓的工 作人員均可對系統(tǒng)的控制模式進行修改或重新設(shè)置，從而解決了 PLC現(xiàn)場邏輯控制關(guān)系和 邏輯控制條件更改困難的問題，工作人員通過觸摸液晶屏可以直接輸入各種參數(shù)數(shù)值，其 操作方便靈活、安全可靠。3、使用安全性大大提高本發(fā)明的自動控制系統(tǒng)采用了本安電源為各個設(shè)備供 電，從而使得各個設(shè)備在工作過程中能夠避免由于電路火花等引起的爆炸或火災(zāi)事故，而 且由于主控制器和執(zhí)行器是分別放置在不同的設(shè)備現(xiàn)場，也不需要格外的繼電器設(shè)備，各 個設(shè)備在運行過程中的相互間干擾很小，安全性得到較大的提高，因此可應(yīng)用于存在瓦斯 的危險場所，解除了安全隱患。4、本發(fā)明的自動控制系統(tǒng)既可通過中心站對系統(tǒng)的邏輯控制關(guān)系和邏輯控制條 件進行設(shè)置，也可以直接通過主控制器上的觸摸液晶屏或手動的控制旋鈕進行程序的修改 和設(shè)置，這樣工作人員既可以在井下通過操作主控制器控制系統(tǒng)工作，也可以在地面上通 過中心站觀測和修正數(shù)據(jù)，同時通過手動的控制旋鈕還能在觸摸液晶屏出現(xiàn)故障時作為備 用控制，從而極大的提高了設(shè)備的可靠性。


圖1為本發(fā)明自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖中，1一主控制器，2—執(zhí)行器，3—本安電源，4一中心站，5—終端機構(gòu)，11一中心處理 器，12—觸摸液晶屏，13—存儲器，14一小液晶顯示屏，15—控制旋鈕，21—驅(qū)動電路模塊， 22—繼電器，23—數(shù)據(jù)存儲模塊，24—顯示模塊，25—紅外遙控接收模塊，26—終端狀態(tài)采 集電路模塊。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。如圖1所示，本發(fā)明基于MCU的礦用自動控制系統(tǒng)，包括主控制器1和執(zhí)行器2，所述執(zhí)行器2有若干個并分別與主控制器1連接。所述主控制器1安裝于井下特定的中 心控制區(qū)域，如井下的通道樞紐處，各個執(zhí)行器2分別設(shè)置于對應(yīng)的采集現(xiàn)場，每個采集現(xiàn) 場的執(zhí)行器2分別與其所在采集現(xiàn)場的終端機構(gòu)5連接，本發(fā)明中終端機構(gòu)5主要是蝶閥 和泵，所述主控制器1通過設(shè)置于各個采集現(xiàn)場的執(zhí)行器2控制對應(yīng)管道上的蝶閥及泵工 作。本發(fā)明中，在主控制器1內(nèi)設(shè)有采用FPGA芯片的中心處理器11 (即MCU)，通過所述 FPGA (Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)芯片可以根據(jù)井下蝶閥及泵 的數(shù)量及其位置關(guān)系等進行自定義編程并設(shè)定邏輯控制關(guān)系，在所述中心處理器11上連 接有觸摸液晶屏12、存儲器13以及若干個小液晶顯示屏14，在所述小液晶顯示屏14上還 連接有用于調(diào)整執(zhí)行器工作狀態(tài)的控制旋鈕15，所述控制旋鈕15通過小液晶顯示屏14將 手動控制信號輸入到中心處理器11 ；本發(fā)明中，小液晶顯示屏14的數(shù)量與執(zhí)行器的數(shù)量是 對應(yīng)的，可以是1:1，也可以是1:2，具體比例可根據(jù)現(xiàn)場需要而定，每個執(zhí)行器的工作狀態(tài) 都通過對應(yīng)的小液晶顯示屏輸出顯示，在每個小液晶顯示屏上都連接有一個或多個控制旋 鈕15，所述控制旋鈕15是與執(zhí)行器2對應(yīng)的，即每一個執(zhí)行器均配置了一個或者兩個用于 手動控制的控制旋鈕15，通過控制旋鈕15可以對執(zhí)行器的控制關(guān)系及工作狀態(tài)進行選擇， 并可在觸摸液晶屏12出現(xiàn)故障時作為備用控制系統(tǒng)使用，從而保障系統(tǒng)的正常工作。所述 執(zhí)行器2以MSP430單片機為處理核心，所述MSP430單片機通過RS485總線與中心處理器 11連接并進行數(shù)據(jù)的傳遞，在MSP430單片機的輸出端并聯(lián)有若干個驅(qū)動電路模塊21和若 干個終端狀態(tài)采集電路模塊26，在每一個驅(qū)動電路模塊21上均連接有一個用于連接終端 機構(gòu)5的繼電器22，在每個繼電器22上可對應(yīng)連接一個蝶閥或泵，工作時MSP430單片機通 過驅(qū)動電路控制繼電器的閉合或斷開，從而達到使蝶閥或泵接通或斷開的目的。本發(fā)明中， 所述驅(qū)動電路模塊21和繼電器22均可以采用現(xiàn)有的電路，這里驅(qū)動電路模塊21和繼電器 22主要是用于執(zhí)行MSP430單片機發(fā)出的命令；但是，由于驅(qū)動電路模塊21和繼電器22與 MSP430單片機集成為一體，執(zhí)行器2的功能因此而變得更強大，從而使執(zhí)行器在與終端機 構(gòu)的蝶閥或泵連接時，不再需要另外配置專門的繼電器柜，使整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡化，特 別是減少了大量的布線，對礦井下的設(shè)備運行安全有極大的提高。為進一步保障系統(tǒng)運行 的安全，所述中心處理器11、MSP430單片機、觸摸液晶屏12和小液晶顯示屏14均由本安電 源3供電，所述本安電源3是煤礦井下作業(yè)中常用的電源設(shè)備，如江蘇新力科技實業(yè)有限公 司生產(chǎn)的DHK-(B)輸出本質(zhì)安全型電源，它具有在極端情況下的放電能量不會點燃爆炸性 氣體的特性，因此可以避免電源接頭處由于產(chǎn)生火花而引起爆炸。系統(tǒng)工作時，工作人員通過主控制器1上的觸摸液晶屏12向中心處理器11輸入 控制參數(shù)，所述控制參數(shù)包括執(zhí)行器與終端機構(gòu)的邏輯控制關(guān)系以及邏輯控制條件，工作 人員還可以通過控制旋鈕15給對應(yīng)的執(zhí)行器設(shè)定好邏輯控制條件，中心處理器11根據(jù)所 述控制參數(shù)向執(zhí)行器2內(nèi)的MSP430單片機發(fā)送控制命令，MSP430單片機根據(jù)所述控制命 令控制對應(yīng)的驅(qū)動電路模塊21和繼電器22并驅(qū)動終端機構(gòu)動作，例如開啟某一個蝶閥或 關(guān)閉某一個泵，也可以控制蝶閥或泵的開啟度等；所述終端機構(gòu)5執(zhí)行動作后，終端狀態(tài)采集電路模塊26采集終端機構(gòu)5的狀態(tài)信號并反饋給MSP430單片機，所述MSP430單片機將 所述狀態(tài)信號發(fā)送給主控制器1內(nèi)的中心處理器11，中心處理器11通過小液晶顯示屏14 和觸摸液晶屏12輸出顯示。MSP430單片機將所述狀態(tài)信號反饋給主控制器1后使信號形 成回路，幫助人們判斷單片機發(fā)送的命令是否已經(jīng)被執(zhí)行，從而達到提高系統(tǒng)可靠性的目 的，并且還能對系統(tǒng)工作是否正常進行判斷和觀察，其中，所述模擬量采集器和開關(guān)量采集 器均為現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備。參見圖1，本發(fā)明的中心處理器11還通過RS485總線與中心站4通信，所述中 心站4位于地面，通過中心站4也可以對主控制器1進行參數(shù)設(shè)置，并能實時獲取各個執(zhí)行 器工作狀態(tài)的反饋參數(shù)，地面的工作人員通過中心站4就可以及時的觀測到井下系統(tǒng)的運 行狀況，并能根據(jù)觀測參數(shù)及時的做出調(diào)整。參見圖1，在執(zhí)行器2內(nèi)還設(shè)有數(shù)據(jù)存儲模塊23和顯示模塊24，所述數(shù)據(jù)存儲模 塊23連接在MSP430單片機的I/O端口上，所述顯示模塊24與MSP430單片機的輸出端相 連，通過存儲模塊23可以存儲執(zhí)行器接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)，顯示模塊24用于將當前執(zhí)行器的 工作狀態(tài)實時顯示，方便工作人員巡查。在每個執(zhí)行器內(nèi)的MSP430單片機輸入端均連接有 用于接收紅外遙控信號的紅外遙控接收模塊25，工作人員在操作時可以通過紅外遙控器進 行遠距離控制，特別是在同一個采集現(xiàn)場內(nèi)蝶閥和泵較多的情況下，采用紅外遙控的方式 可以明顯減輕工作人員的負擔，同時也便于管理。本發(fā)明的系統(tǒng)中，無論是主控制器1、執(zhí)行器2或中心站4，都可以實時的觀測到終 端機構(gòu)5的工作狀態(tài)，這樣方便在各個崗位上的人員及時的了解情況；而主控制器1和執(zhí)行 器2相分離的結(jié)構(gòu)形式是專門針對礦井特殊的地質(zhì)環(huán)境而設(shè)計的，在主控制器1和執(zhí)行器2 之間采用RS485總線通信不但明顯增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和速度，更重要的是RS485總 線采用弱電傳輸，要比普通電纜采用強電的方式更簡便、安全和可靠；而且系統(tǒng)采用靈活的 控制程序，用戶根據(jù)不同的礦井可自由更改控制方案，靈活度很高，并且操作很簡單，完全 擺脫了傳統(tǒng)PLC的固定模式，能適用于各種不同環(huán)境的礦井。
權(quán)利要求
基于MCU的礦用自動控制系統(tǒng)，其特征在于，包括主控制器(1)和執(zhí)行器(2)，所述執(zhí)行器(2)有若干個并分別與主控制器(1)連接；在主控制器(1)內(nèi)設(shè)有采用FPGA芯片的中心處理器(11)，在所述中心處理器(11)上連接有觸摸液晶屏(12)、存儲器(13)以及若干個小液晶顯示屏(14)；所述執(zhí)行器(2)以MSP430單片機為處理核心，所述MSP430單片機通過RS485總線與中心處理器(11)連接，在MSP430單片機的輸出端并聯(lián)有若干個驅(qū)動電路模塊(21)和若干個終端狀態(tài)采集電路模塊(26)，在每一個驅(qū)動電路模塊(21)上均連接有一個用于連接終端機構(gòu)(5)的繼電器(22)；所述中心處理器(11)、MSP430單片機、觸摸液晶屏(12)和小液晶顯示屏(14)均由本安電源(3)供電；所述主控制器(1)工作時，由觸摸液晶屏(12)向中心處理器(11)輸入控制參數(shù)，中心處理器(11)根據(jù)所述控制參數(shù)向執(zhí)行器(2)內(nèi)的MSP430單片機發(fā)送控制命令，MSP430單片機根據(jù)所述控制命令控制對應(yīng)的驅(qū)動電路模塊(21)和繼電器(22)并驅(qū)動終端機構(gòu)(5)動作；所述終端機構(gòu)(5)執(zhí)行動作后，終端狀態(tài)采集電路模塊(26)采集終端機構(gòu)(5)的狀態(tài)信號并反饋給MSP430單片機，所述MSP430單片機將所述狀態(tài)信號發(fā)送給主控制器(1)內(nèi)的中心處理器(11)，中心處理器(11)通過小液晶顯示屏(14)和觸摸液晶屏(12)輸出顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MCU的礦用自動控制系統(tǒng)，其特征在于，在所述小液晶顯 示屏(14)上還連接有用于調(diào)整執(zhí)行器工作狀態(tài)的控制旋鈕(15)，所述控制旋鈕(15)通過 小液晶顯示屏(14)將手動控制信號輸入到中心處理器(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MCU的礦用自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述中心處理器 (11)還通過RS485總線與中心站(4)通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MCU的礦用自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述執(zhí)行器(2) 內(nèi)還設(shè)有數(shù)據(jù)存儲模塊(23 )和顯示模塊(24 )，所述數(shù)據(jù)存儲模塊 (23 )連接在MSP430單片 機的I/O端口上，所述顯示模塊(24)與MSP430單片機的輸出端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于MCU的礦用自動控制系統(tǒng)，其特征在于，在所述 MSP430單片機的輸入端還連接有用于接收紅外遙控信號的紅外遙控接收模塊(25)。
全文摘要
本發(fā)明介紹一種基于MCU的礦用自動控制系統(tǒng)，包括主控制器和執(zhí)行器，所述執(zhí)行器有若干個并分別與主控制器連接；在主控制器內(nèi)設(shè)有采用FPGA芯片的中心處理器，在中心處理器上連接有觸摸液晶屏、存儲器以及若干個小液晶顯示屏；執(zhí)行器以MSP430單片機為處理核心，所述MSP430單片機通過RS485總線與中心處理器連接，在MSP430單片機的輸出端并聯(lián)有若干個驅(qū)動電路模塊，在每一個驅(qū)動電路模塊上均連接有一個用于連接終端機構(gòu)的繼電器；所述中心處理器、MSP430單片機、觸摸液晶屏和小液晶顯示屏均由本安電源供電。本發(fā)明的控制系統(tǒng)現(xiàn)場施工時接線非常簡單、控制可靠性高，并且還具有操作靈活、使用安全的優(yōu)點。
文檔編號G05B19/418GK101976076SQ20101056615
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者全太鋒, 葉立勝, 白小偉, 章建 申請人:重慶梅安森科技股份有限公司