煤矿用阀门电动执行器硬件系统研究.pdf

圆园20,35穴6雪 煤矿用阀门电动执行器硬件系统研究 DOI院10.19557/ki.1001-9944.2020.06.015 蒋洪庆袁李涛袁赵庆川 渊中煤科工集团重庆研究院有限公司袁重庆 400039冤 摘要院该文分析了煤矿用阀门电动执行器在瓦斯抽采自动化控制系统中的应用现状袁设计 了基于CAN总线的煤矿用阀门电动执行器袁详细介绍了整机工作原理尧电源电路尧主控芯 片尧人机交互接口尧CAN总线收发电路尧电机驱动电路尧开度检测电路和过热检测电路等关 键功能电路的设计袁并进行必要的详细分析遥 实验表明袁该煤矿用电动执行器能够满足煤 矿自动化控制系统的需求遥 关键词院矿用阀门曰电动执行器曰瓦斯抽采曰CAN总线曰电机驱动 中图分类号院TN925文献标志码院A文章编号院员园园员鄄怨怨源源渊圆园20冤06鄄园园69鄄园5 Research on Hardware System of Electric Actuator for Coal Mine Valve JIANG Hong鄄qing袁LI Tao袁ZHAO Qing鄄chuan 渊China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute袁Chongqing 400039袁China冤 Abstract院Analyzing the application status of the electric actuator for coal mining valves in automation control system of gas drainage pumping station袁a design of electric actuator for coal mine valve based on CAN bus communication is proposed. According to the working principle of the designed equipment袁functional circuits in detail include power supply circuit袁main control chip袁human鄄machine interaction interface袁CAN bus transceiver circuit袁driving circuit for actuator motor袁opening detection circuit and overheat detection circuit袁and necessary detailed analysis is given. Ex鄄 periments show that the electric actuator for coal mining valves can meet the needs of coal mine automation control systems. Key words院mining valves曰electric actuator曰gas drainage曰CAN bus曰motor drive 收稿日期院2020-04-10曰修订日期院2020-04-29 基金项目院2019 年重庆市技术创新与应用发展重点项目渊cstc2019jscx鄄mbdxX0007冤 作者简介院蒋洪庆渊1991要冤袁男袁硕士袁实习研究员袁研究方向为煤矿瓦斯抽放和监测控制技术遥 在煤炭工业生产和利用过程中袁矿用电动阀门 是瓦斯抽采系统尧给水排水尧煤层气混配等管网控 制自动化系统的关键设备之一袁因此阀门的性能会 影响整个系统的运行情况[1-4]遥 按照煤矿智能化发展 方向和野煤气共采冶等原则袁对电动执行器的通信可 靠性和响应速度提出了新的要求袁矿用电动执行器 在响应控制命令的同时袁 还实时监测本机工作状 态袁获取并处理大量动态参数信息袁以及做出逻辑 判断对执行器和阀体进行保护[5-8]遥 目前矿用电动执 行器多采用触点控制尧电流通信和 RS485 通信袁触 点控制和电流控制存在布线繁琐袁系统设计复杂袁 数字化程度低袁维护难度高袁可移植性差等缺点袁 RS485 通信采用差分信号可以很好的克服共模干 扰袁但是缺少错误检查机制袁单主通信袁效率低袁容 错力差[9-10]遥 针对以上通信方式存在的问题袁使用德 国 BOSCH 公司推出的 CAN 总线通信可以得到很 仪表与自动化装置 69 粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶 驭 陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶圆园20,35穴6雪 好地解决袁CAN 总线采用基于非破坏仲裁技术的多 主通信模式袁和基于硬件报文的控制器自动闭锁容 错机制袁其应用潜力被业界认可[11]遥 国家叶煤矿安全 监控系统升级改造技术方案曳中明确提出了 CAN 总 线作为执行器的现场总线通信方式[12-13]遥 鉴于对矿 用电动执行器实时性尧可靠性的需求袁研发的电动 执行器采用基于 Cortex鄄M4 内核的 STM32F4 系列 微控制器提高系统数据处理能力袁采用 CAN 总线通 信提高执行器与控制中心之间的数据传输效率和 可靠性遥 1工作原理 煤矿用电动阀门执行器的工作原理如图 1 所 示袁控制系统通过电源转换部分现场取电袁将现场 供电系统的交流强电降压转换为低压直流电源袁为 整个控制系统供电曰电动执行器的设计保护是关键袁 控制模块启动后袁进行初始化自检和保护监测袁对 交流供电波动质量尧相序匹配实时检测袁根据检测 结果对本机驱动信号进行自适应相序调整袁和逻辑 判断是否满足工作条件曰如果不满足袁则进入保护 状态袁在 LCD 液晶屏上给出警示袁并且当收到 CAN 总线发来的命令时袁发送错误报告曰如果满足则等 待 CAN 总线的控制命令袁收到命令后解析并向转向 控制电路发送控制命令袁进一步由功率开关改变交 流供电的通断实现电机的开停袁驱动齿轮机构带动 阀门开闭动作曰同时袁实时检测开度和温度袁判定到 位位置和电机工作状态袁结合保护监测的参数综合 保护电动执行器和阀门遥 2硬件电路设计 2.1电源转换电路 现场动力电源是高压交流电袁执行器的现场供 电先进行电源转换才能够对执行器控制系统供电遥 针对供电需求分别设计了电源转换电路袁并做隔离 设计确保控制系统稳定运行遥 交流转 24 V 直流的转换电路如图 2 所示遥变压 器 T1袁是一款定制的板三相降压变压器袁采用星型 连接的方式袁结合三相全桥整流电路袁当现场工况 出现任意单相缺相故障时袁电源转换电路仍有一定 的带载能力袁确保电源转换电路直流输出正常遥 瞬 态放电二极管 D7抑制差模干扰袁保护后级电路不被 损坏遥 URB4824YMD鄄20WR3 是一款宽范围输入的 电源模块袁输入电压范围为 18 V耀75 V袁输出功率高 达 20 W袁自带千伏级隔离袁具备输入欠压保护和输 出持续短路尧过流尧过压保护等功能袁为控制系统提 供强劲可靠的电源袁 即使在功率开关动作的瞬间袁 产生的瞬时大功率对其它电路的供电电压影响也 可以忽略不计遥 分别在开关电源的输入输出端口增 加电容滤波和电感滤波设计袁进一步减小纹波遥 安 规电容连接到外壳袁建立起静电释放通道袁为整个 电路系统提供防静电保护遥 图 1电动执行器原理图 Fig.1Working principle of electric actuator 380 V/660 VCAN总线 电源转换 保护监测 转向控制 开度检测 温度检测 功率开关控制模块 显示 电机 齿轮 机构 图 2电执行器交流转直流电源电路 Fig.2AC鄄DC power supply circuit U V W T1 D1D3D5 D2D4D6 D7 C1 C2 L1 4.7 滋H CY1CY3 M1 VIN GND Vo 0V URB4824YMD鄄20WR3 CY2CY4 D8 C3 C4 CY7 GND0 FG CY8CY6 CY5 24 V 仪表与自动化装置 70 圆园20,35穴6雪 图 5CAN 总线收发电路 Fig.5Transceiver circuit 控制系统核心部分的供电需要 5 V 和 3.3 V 两 个等级袁 设计如图 3 所示遥 CUWB1205YMD鄄6WR3 是一款超低压输入电源模块袁最低输入电压4.5 V 时袁依然可以提供稳定的电压输出袁其采用的降频 技术确保了良好的瞬态响应袁最大输出功率有 6 W曰 内部集成输入欠压保护袁并且输出提供持续过流保 护和过压保护袁其自带千伏级隔离功能可以保护核 心部分抗电磁干扰袁可直接给 5 V 器件供电遥主控制 器及其外围电路采用 3.3 V 供电袁使用一片 LDO 芯 片 SPX1117M3 得到袁此芯片的带载能力强可达 800 mA袁满载时输入输出的压降只有 1.1 V袁输出电压线 性调整率低于千分之一袁 负载调整率低于千分之 二袁给微处理器稳定工作提供高质量的电源保障遥 CAN 接口的数据交换部分采用独立直流供电袁 提高数据交换单元的抗干扰能力袁也防止从该单元 引入干扰到控制系统的核心部分袁供电单元电路设 计如图 4 所示遥 B0505S鄄1WR3 的输入电压范围是 4.5 V耀5.5 V袁输出额定电压是 5 V袁额定功率为 1 W袁 可持续短路并自恢复袁开关频率高达 270 kHz袁自带 千伏级隔离功能袁 因为 CAN 信号线外接其它设备袁 易引入脉冲干扰袁该电源模块的特性可以极大地衰 减这类干扰袁并且良好地响应性能能够增强通信的 容错性遥 2.2主控芯片 执行器控制系统采用 STM32F407 作为中央微 处理器袁STM32F407 是 ST 公司推出的 Cortex鄄M4 内 核高性能 ARM 处理器袁最高主频达到 168 MHz袁支 持 FPU渊浮点运算冤和 DSP 指令袁SRAM 有 192 K袁具 有强大的运算能力袁能够满足大多数的工业用末端 设备需求曰 内部集成了大量的 USART尧CAN尧SPI尧 SDIO尧ADC 等外设控制器袁 开发使用起来十分方便 快捷遥 该芯片的使用能够提升电动执行器的工作效 率和响应速度袁从而提高与主机通信尧命令执行尧保 护功能的可靠性和稳定性遥 2.3人机交互接口 现场显示和接收操作人员的指令是矿用电动 执行器必不可少的功能遥 采用 TFT LCD 点阵显示 屏作为显示窗口袁结合国标字库芯片袁能够显示丰 富的报告信息遥 使用红外遥控接收电路结合本安遥 控器的方式袁作为现场人员的指令输入通道袁方便 井下尧井上在线调校等工作遥 2.4 CAN 收发电路 主控芯片内部集成了 CAN 控制器袁采用硬件筛 选匹配尧邮箱发送和 FIFO 接收袁有效降低微处理器 处理 CAN 通信的资源消耗遥 CAN 总线收发电路设 计如图 5 所示袁 图中 ISO1050DUBR 收发器是 CAN 总线通信的差分发送驱动和差分接收的关键转换 器件袁CAN 控制器通过该收发器的 TXD 引脚发送 内容袁通过 RXD 引脚接收总线数据遥 ISO1050DUBR 收发器自带千伏级隔离功能袁实现 CAN 总线与控制 系统的电气隔离袁 增强控制系统的抗干扰能力曰并 且该收发器支持星型交叉连接袁为现场使用提供了 便利曰其内部集成的过压保护功能尧过热自保护功 能和耐共模干扰-12 V耀12 V 的优异性能袁使得其在 恶劣的工况条件下具备良好的适应能力曰收发器的 两端 VCC1和 VCC2使用隔离供电袁并就近并接两级 大小电容来降低电源波动和滤除脉冲干扰袁增强收 发器的工作稳定性曰VCC2隔离端的供电由 CAN 收 发单元隔离供电电路提供袁流入 VCC2的最大电流 为 73 mA袁换算为功率即 0.365 W袁隔离电源完全能 图 3控制系统核心部分供电电路 Fig.3Power supply circuit of the core control part 图 4CAN 收发单元独立供电电路 Fig.4Independent power supply circuit of CAN transceiver unit 5 VM2 VINVo GND0V C6 GND CY11 GND_ISO C5 R1 R2 C7 MM3Z5V6T1G D9 T2 D12 5 V_ISO B0505S鄄1WR3 C14 10 滋F C15 0.1 滋F 3.3 V VCC1 VCC2 RXDCANH TXDCANL GND1 GND2 1 2 3 4 CAN1鄄RX CAN1鄄TX GND 8 7 6 5 5 V_ISO GND_ISO R3 60 赘 R4 60 赘 U1 ISO1050DUBR CY10 GND_ISO D10 D11 CAN鄄H CAN鄄L 1.5SMCJ6.0CA 1.5SMCJ6.0CA 24 VM4 VIN GND Vo 0V CUWB1205YMD鄄6WR3 CY9 GND0 GND C10C9C8 3.3 V 23 M3 SPX1117M3 ViVo C1 5 V C12 仪表与自动化装置 71 粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶 驭 陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶圆园20,35穴6雪 够满足曰在 CAN鄄H 和 CAN鄄L 之间桥接 2 个匹配电阻 并通过 1 个小电容连接到隔离地袁构成 1 组滤波电 路提升信号线上对高频低能量共模干扰的抗性曰D10 和 D11两只 TVS 瞬态二极管连接隔离地袁 实现对持 续高能量差模和共模干扰的抑制消弱袁保护 CAN 总 线在强电磁干扰下的性能遥 2.5电机驱动电路 执行器电机的转停和方向控制最终都是由功 率开关来控制袁因此电机控制的实质是通过驱动功 率开关实现动力电的通断袁驱动电路设计如图 6 所 示遥 微处理器通过 DRA 和 DRB 输出控制命令袁当 DRA 有效为高电平时袁光耦 U2输入端导通袁输出端 将 R7与 GND0连接袁通过 R8和 R7分压实现 PNP 三 极管 D4发射极与基极之间的压差满足开启条件袁 24 V 电源的电流通过 D14尧D13尧RK1尧JC1尧功率开关尧 RK2与 GND0形成回路袁控制功率开关动作曰当 DRA 有效为高电平时袁与之类似遥 不同同时控制电动执行 器的电机正转和反转袁否则必然产生大电流烧毁电 机袁因此通过 D15和 D17实现两路控制之间的信号互 锁曰当 DRA 为高电平时袁D17基极与发射极之间的电 势差满足饱和压降袁集电极与发射极之间的饱和压 降为 0.6 V袁U3光耦的输入端的开启电压为 1.1 V袁 此时即使 DRB 为高电平袁光耦也不能正常工作使输 出端导通袁即实现互锁功能遥 2.6开度检测电路 电动执行器驱动阀门打开和关闭时袁控制系统 需要通过确认阀门开关状态和打开幅度袁来判定阀 门的当前位置与期望位置的关系袁 进一步控制开 停遥霍尼韦尔的 RTY 系列霍尔角度位置传感器采用 固态霍尔效应技术袁旋转体之间非接触袁不会因摩 擦产生降低精度和寿命袁且降低扭矩损耗袁适合在 苛刻环境下应用遥 选择 RTY050LVNAX 作为电动执 行器开度检测装置袁 该传感器采用 5 V依0.5 V 直流 源供电袁最大电流不超过 25 mA袁输出 0.5 V耀4.5 V 电压与旋转角度成比例袁 带有集成连接器的坚固 IP69K 等级密封封装袁 对于矿用电动阀门的使用环 境具有优秀的适应性遥 如图 7 所示是霍尔位置传感 器的驱动和信号处理电路袁5 V 电源经过一级阻容 滤波后给传感器供电袁传感器的输出端匹配电阻由 2 个 5 k赘 电阻串联而成袁输出电压信号经过一级阻 容滤波后直接与微控制器的模数转换通道引脚连 接袁由微控制器内置 ADC 进行采样数字转换袁并计 算得到阀门的开度遥 2.7过热保护电路 矿用隔爆电机一般限制短时工作 10 min袁根据 外部环境的温度湿度等差异袁 电机冷却时间不同遥 因此袁在电机中埋入热保护开关袁当电动机因超时尧 堵转等引起绕组的温度超限时进行保护袁保护电路 如图 8 所示遥 该保护功能采用常闭机制袁正常情况 图 6电机驱动电路图 Fig.6Drive circuit DRA DRB R15 R17 D17 J3 GNDGND0 U3ps2501 R13 R16 2L D18 C19 24 V D16 IN4007 RK3 R12 C18 1 2 3 JC1 R9 R11 D15 J3 GNDGND0 U2ps2501 R7R8 2L D14 C16 24 V D13 IN4007 RK1 R6 GND0 C17 RK2 F1 010 图 7位置信号处理电路图 Fig.7Processing circuit of opening signal 5 V C20 OPENING GND R22 R20 D19 JC2 R23R211 2 3 D20 C21 仪表与自动化装置 72 圆园20,35穴6雪 以及工作特性袁以中间直流环节电 压稳定为目标袁应用最大转矩电流比控制策略袁实 现了当柴油机转速变化时袁系统稳定工作袁并分析 了永磁同步发电机电流轨迹遥 参考文献院 [1]沈建新袁缪冬敏.变速永磁同步发电机系统及控制策略[J].电工 技术学报袁2013袁28渊3冤院1-8. 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