专利名称：基于mcu的矿用自动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及煤矿抽放瓦斯泵站内用于控制蝶阀及泵运行的自动控制系统，该系统 可将矿井内的多个控制点集中自动控制，属于自动化控制技术领域。
背景技术：
目前在煤矿行业内对矿井抽放泵站内蝶阀和泵的控制基本上都是运用PLC方案 来解决，但是由于矿井中需要对存在爆炸性气体的危险环境进行多点控制，因此采用PLC 方案存在很大的缺陷，主要体现在以下几个方面
1、PLC方案中所有执行机构和主控制器都是集中放在一起的，其结构在设计时即为一 个整体而且难以更改，这种结构应用于煤矿抽放泵房等控制点极多的环境中实现集控时， 各个区域的控制点都必须向PLC所在位置铺设控制和采集电缆，因此造成了 PLC上连接的 电缆极多，一旦某个控制点出现故障，盘查故障会非常困难，而且要对PLC增加控制点时， 施工也非常麻烦，并且在增加控制点的时候同时也必须向PLC主控器安装处铺设相应的电 缆，这对于已经规划好的矿井来说施工难度相当大。2、由于PLC内的程序是在设计制作时预先植入的，其对应的逻辑控制关系和逻辑 控制条件在植入程序时就已经确定，因此若要更改PLC内的逻辑控制关系或者逻辑控制条 件必须由PLC专业人员进行重新编程，这种方式很不灵活，给普通人员操作带来了很大的 难度，使得系统的通用性较差。3、目前的PLC控制输出通常都需增加专门的控制继电器，在安装时每个终端机构 都需要单独配置相应的继电器柜，这使得接线时既麻烦又增大了工作量，还容易发生线路 故障，同时由于在PLC内集成了主控制器和执行机构，各个装置的连接线缆交错纵横，并且 很难做到本质安全，使用时存在引起爆炸的安全隐患。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明的主要目的在于解决目前煤矿行业中用于控 制瓦斯泵站内蝶阀及泵运行的自动控制系统采集电缆太多，容易出现线路故障而且难以盘 查的问题，而提供一种在现场施工时接线简单、控制可靠，并且操作灵活，使用安全的矿用 自动控制系统。本发明的技术方案基于MCU的矿用自动控制系统，其特征在于，包括主控制器和 执行器，所述执行器有若干个并分别与主控制器连接；在主控制器内设有采用FPGA芯片的 中心处理器，在所述中心处理器上连接有触摸液晶屏、存储器以及若干个小液晶显示屏；所 述执行器以MSP430单片机为处理核心，所述MSP430单片机通过RS485总线与中心处理器 连接，在MSP430单片机的输出端并联有若干个驱动电路模块和若干个终端状态采集电路 模块，在每一个驱动电路模块上均连接有一个用于连接终端机构的继电器；所述中心处理器、MSP430单片机、触摸液晶屏和小液晶显示屏均由本安电源供电；所述主控制器工作时， 由触摸液晶屏向中心处理器输入控制参数，中心处理器根据所述控制参数向执行器内的 MSP430单片机发送控制命令，MSP430单片机根据所述控制命令控制对应的驱动电路模块 和继电器并驱动终端机构动作；所述终端机构执行动作后，终端状态采集电路模块采集终 端机构的状态信号并反馈给MSP430单片机，所述MSP430单片机将所述状态信号发送给主 控制器内的中心处理器，中心处理器通过小液晶显示屏和触摸液晶屏输出显示。相对于现有技术，本发明具有以下有益效果
1、本发明的自动控制系统将采集控制模块(即执行器)扩展到了被控设备现场，在采集 控制模块与主控制器之间均采用RS485总线传输，从而解决了 PLC主控制器处电缆繁多、施 工麻烦、故障排除困难的问题，这样现场施工时接线更加简单，控制更加灵活、可靠，节省了 电缆，还达到了降低成本的目的，同时还解决了 PLC控制输出需增加继电器柜的问题，通过 采用单元集成的结构形式使得设备更加简化、高效，线路故障大大减少，特别适合在井下空 间比较狭小的环境中安装。2、操作时更加灵活在主控制器中采用了可灵活编写和修改控制程序的FPGA芯 片作为中心处理器(即MCU)，以及在执行器中采用MSP430单片机来与中心处理器进行数据 传递，不仅使得系统的处理速度更快，更重要的是通过中心处理器可以随时更改控制终端 机构的逻辑控制条件和逻辑控制关系，而且无需依赖专业人员，一般的经过简单培训的工 作人员均可对系统的控制模式进行修改或重新设置，从而解决了 PLC现场逻辑控制关系和 逻辑控制条件更改困难的问题，工作人员通过触摸液晶屏可以直接输入各种参数数值，其 操作方便灵活、安全可靠。3、使用安全性大大提高本发明的自动控制系统采用了本安电源为各个设备供 电，从而使得各个设备在工作过程中能够避免由于电路火花等引起的爆炸或火灾事故，而 且由于主控制器和执行器是分别放置在不同的设备现场，也不需要格外的继电器设备，各 个设备在运行过程中的相互间干扰很小，安全性得到较大的提高，因此可应用于存在瓦斯 的危险场所，解除了安全隐患。4、本发明的自动控制系统既可通过中心站对系统的逻辑控制关系和逻辑控制条 件进行设置，也可以直接通过主控制器上的触摸液晶屏或手动的控制旋钮进行程序的修改 和设置，这样工作人员既可以在井下通过操作主控制器控制系统工作，也可以在地面上通 过中心站观测和修正数据，同时通过手动的控制旋钮还能在触摸液晶屏出现故障时作为备 用控制，从而极大的提高了设备的可靠性。
图1为本发明自动控制系统的结构示意图中，1一主控制器，2—执行器，3—本安电源，4一中心站，5—终端机构，11一中心处理 器，12—触摸液晶屏，13—存储器，14一小液晶显示屏，15—控制旋钮，21—驱动电路模块， 22—继电器，23—数据存储模块，24—显示模块，25—红外遥控接收模块，26—终端状态采 集电路模块。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。如图1所示，本发明基于MCU的矿用自动控制系统，包括主控制器1和执行器2，所述执行器2有若干个并分别与主控制器1连接。所述主控制器1安装于井下特定的中 心控制区域，如井下的通道枢纽处，各个执行器2分别设置于对应的采集现场，每个采集现 场的执行器2分别与其所在采集现场的终端机构5连接，本发明中终端机构5主要是蝶阀 和泵，所述主控制器1通过设置于各个采集现场的执行器2控制对应管道上的蝶阀及泵工 作。本发明中，在主控制器1内设有采用FPGA芯片的中心处理器11 (即MCU)，通过所述 FPGA (Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片可以根据井下蝶阀及泵 的数量及其位置关系等进行自定义编程并设定逻辑控制关系，在所述中心处理器11上连 接有触摸液晶屏12、存储器13以及若干个小液晶显示屏14，在所述小液晶显示屏14上还 连接有用于调整执行器工作状态的控制旋钮15，所述控制旋钮15通过小液晶显示屏14将 手动控制信号输入到中心处理器11 ；本发明中，小液晶显示屏14的数量与执行器的数量是 对应的，可以是1:1，也可以是1:2，具体比例可根据现场需要而定，每个执行器的工作状态 都通过对应的小液晶显示屏输出显示，在每个小液晶显示屏上都连接有一个或多个控制旋 钮15，所述控制旋钮15是与执行器2对应的，即每一个执行器均配置了一个或者两个用于 手动控制的控制旋钮15，通过控制旋钮15可以对执行器的控制关系及工作状态进行选择， 并可在触摸液晶屏12出现故障时作为备用控制系统使用，从而保障系统的正常工作。所述 执行器2以MSP430单片机为处理核心，所述MSP430单片机通过RS485总线与中心处理器 11连接并进行数据的传递，在MSP430单片机的输出端并联有若干个驱动电路模块21和若 干个终端状态采集电路模块26，在每一个驱动电路模块21上均连接有一个用于连接终端 机构5的继电器22，在每个继电器22上可对应连接一个蝶阀或泵，工作时MSP430单片机通 过驱动电路控制继电器的闭合或断开，从而达到使蝶阀或泵接通或断开的目的。本发明中， 所述驱动电路模块21和继电器22均可以采用现有的电路，这里驱动电路模块21和继电器 22主要是用于执行MSP430单片机发出的命令；但是，由于驱动电路模块21和继电器22与 MSP430单片机集成为一体，执行器2的功能因此而变得更强大，从而使执行器在与终端机 构的蝶阀或泵连接时，不再需要另外配置专门的继电器柜，使整个系统的结构更加简化，特 别是减少了大量的布线，对矿井下的设备运行安全有极大的提高。为进一步保障系统运行 的安全，所述中心处理器11、MSP430单片机、触摸液晶屏12和小液晶显示屏14均由本安电 源3供电，所述本安电源3是煤矿井下作业中常用的电源设备，如江苏新力科技实业有限公 司生产的DHK-(B)输出本质安全型电源，它具有在极端情况下的放电能量不会点燃爆炸性 气体的特性，因此可以避免电源接头处由于产生火花而引起爆炸。系统工作时，工作人员通过主控制器1上的触摸液晶屏12向中心处理器11输入 控制参数，所述控制参数包括执行器与终端机构的逻辑控制关系以及逻辑控制条件，工作 人员还可以通过控制旋钮15给对应的执行器设定好逻辑控制条件，中心处理器11根据所 述控制参数向执行器2内的MSP430单片机发送控制命令，MSP430单片机根据所述控制命 令控制对应的驱动电路模块21和继电器22并驱动终端机构动作，例如开启某一个蝶阀或 关闭某一个泵，也可以控制蝶阀或泵的开启度等；所述终端机构5执行动作后，终端状态采集电路模块26采集终端机构5的状态信号并反馈给MSP430单片机，所述MSP430单片机将 所述状态信号发送给主控制器1内的中心处理器11，中心处理器11通过小液晶显示屏14 和触摸液晶屏12输出显示。MSP430单片机将所述状态信号反馈给主控制器1后使信号形 成回路，帮助人们判断单片机发送的命令是否已经被执行，从而达到提高系统可靠性的目 的，并且还能对系统工作是否正常进行判断和观察，其中，所述模拟量采集器和开关量采集 器均为现有技术设备。参见图1，本发明的中心处理器11还通过RS485总线与中心站4通信，所述中 心站4位于地面，通过中心站4也可以对主控制器1进行参数设置，并能实时获取各个执行 器工作状态的反馈参数，地面的工作人员通过中心站4就可以及时的观测到井下系统的运 行状况，并能根据观测参数及时的做出调整。参见图1，在执行器2内还设有数据存储模块23和显示模块24，所述数据存储模 块23连接在MSP430单片机的I/O端口上，所述显示模块24与MSP430单片机的输出端相 连，通过存储模块23可以存储执行器接收和发送的数据，显示模块24用于将当前执行器的 工作状态实时显示，方便工作人员巡查。在每个执行器内的MSP430单片机输入端均连接有 用于接收红外遥控信号的红外遥控接收模块25，工作人员在操作时可以通过红外遥控器进 行远距离控制，特别是在同一个采集现场内蝶阀和泵较多的情况下，采用红外遥控的方式 可以明显减轻工作人员的负担，同时也便于管理。本发明的系统中，无论是主控制器1、执行器2或中心站4，都可以实时的观测到终 端机构5的工作状态，这样方便在各个岗位上的人员及时的了解情况；而主控制器1和执行 器2相分离的结构形式是专门针对矿井特殊的地质环境而设计的，在主控制器1和执行器2 之间采用RS485总线通信不但明显增强了数据传输的稳定性和速度，更重要的是RS485总 线采用弱电传输，要比普通电缆采用强电的方式更简便、安全和可靠；而且系统采用灵活的 控制程序，用户根据不同的矿井可自由更改控制方案，灵活度很高，并且操作很简单，完全 摆脱了传统PLC的固定模式，能适用于各种不同环境的矿井。
权利要求
基于MCU的矿用自动控制系统，其特征在于，包括主控制器(1)和执行器(2)，所述执行器(2)有若干个并分别与主控制器(1)连接；在主控制器(1)内设有采用FPGA芯片的中心处理器(11)，在所述中心处理器(11)上连接有触摸液晶屏(12)、存储器(13)以及若干个小液晶显示屏(14)；所述执行器(2)以MSP430单片机为处理核心，所述MSP430单片机通过RS485总线与中心处理器(11)连接，在MSP430单片机的输出端并联有若干个驱动电路模块(21)和若干个终端状态采集电路模块(26)，在每一个驱动电路模块(21)上均连接有一个用于连接终端机构(5)的继电器(22)；所述中心处理器(11)、MSP430单片机、触摸液晶屏(12)和小液晶显示屏(14)均由本安电源(3)供电；所述主控制器(1)工作时，由触摸液晶屏(12)向中心处理器(11)输入控制参数，中心处理器(11)根据所述控制参数向执行器(2)内的MSP430单片机发送控制命令，MSP430单片机根据所述控制命令控制对应的驱动电路模块(21)和继电器(22)并驱动终端机构(5)动作；所述终端机构(5)执行动作后，终端状态采集电路模块(26)采集终端机构(5)的状态信号并反馈给MSP430单片机，所述MSP430单片机将所述状态信号发送给主控制器(1)内的中心处理器(11)，中心处理器(11)通过小液晶显示屏(14)和触摸液晶屏(12)输出显示。
2.根据权利要求1所述的基于MCU的矿用自动控制系统，其特征在于，在所述小液晶显 示屏(14)上还连接有用于调整执行器工作状态的控制旋钮(15)，所述控制旋钮(15)通过 小液晶显示屏(14)将手动控制信号输入到中心处理器(11)。
3.根据权利要求1所述的基于MCU的矿用自动控制系统，其特征在于，所述中心处理器 (11)还通过RS485总线与中心站(4)通信。
4.根据权利要求1所述的基于MCU的矿用自动控制系统，其特征在于，所述执行器(2) 内还设有数据存储模块(23 )和显示模块(24 )，所述数据存储模块 (23 )连接在MSP430单片 机的I/O端口上，所述显示模块(24)与MSP430单片机的输出端相连。
5.根据权利要求1或4所述的基于MCU的矿用自动控制系统，其特征在于，在所述 MSP430单片机的输入端还连接有用于接收红外遥控信号的红外遥控接收模块(25)。
全文摘要
本发明介绍一种基于MCU的矿用自动控制系统，包括主控制器和执行器，所述执行器有若干个并分别与主控制器连接；在主控制器内设有采用FPGA芯片的中心处理器，在中心处理器上连接有触摸液晶屏、存储器以及若干个小液晶显示屏；执行器以MSP430单片机为处理核心，所述MSP430单片机通过RS485总线与中心处理器连接，在MSP430单片机的输出端并联有若干个驱动电路模块，在每一个驱动电路模块上均连接有一个用于连接终端机构的继电器；所述中心处理器、MSP430单片机、触摸液晶屏和小液晶显示屏均由本安电源供电。本发明的控制系统现场施工时接线非常简单、控制可靠性高，并且还具有操作灵活、使用安全的优点。
文档编号G05B19/418GK101976076SQ20101056615
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者全太锋, 叶立胜, 白小伟, 章建 申请人:重庆梅安森科技股份有限公司