基于CAN總線的煤礦現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

魏立明，靖 輝，陳偉利

（吉林建筑工程學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118）

0 引言

目前，我國(guó)的煤礦安全管理正在從傳統(tǒng)管理模式向現(xiàn)代管理模式邁進(jìn)，在控制傷亡事故，保證煤礦安全生產(chǎn)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步：但同時(shí)安全管理的現(xiàn)狀仍然不盡人意。強(qiáng)化安全管理，整合煤礦資源，采取現(xiàn)代化采煤技術(shù)、加大安全生產(chǎn)投入和提高工人操作水平成為我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)發(fā)展趨勢(shì)[1,2]。現(xiàn)代化煤炭企業(yè)管理離不開現(xiàn)代化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)監(jiān)控站系統(tǒng)所測(cè)參數(shù)的比較和分析，為預(yù)防災(zāi)害事故提供技術(shù)數(shù)據(jù)，便于提前采取防范措施，同時(shí)在發(fā)生事故的情況下，能及時(shí)指示最佳救災(zāi)和避災(zāi)路線，為搶救和疏散人員提供決策信息[3]。煤礦現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)是煤礦井下各安全監(jiān)控模塊與井上安全監(jiān)控中心之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉屑~，負(fù)責(zé)安全監(jiān)控中心與安全監(jiān)控模塊之間的數(shù)據(jù)采集與通信,它的有效工作決定了煤礦安全監(jiān)控能否順利進(jìn)行，因此煤礦現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

1 煤礦現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)總體方案

整個(gè)煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由地面中心站、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)站、分支中繼器、井下現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站、各種傳感器以及通信介質(zhì)六部分組成。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)分三級(jí)結(jié)構(gòu)，即地面中心站—現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站—傳感器。其中地面中心站負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)和顯示從井下現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站傳來的各種井下生產(chǎn)環(huán)境安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并通過各個(gè)井下監(jiān)測(cè)站發(fā)送各種配置命令和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制命令；分支中繼器在需要的地方完成通信線路的分支、中繼和介質(zhì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議和地面中心站計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換；傳感器負(fù)責(zé)收集各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；通信介質(zhì)負(fù)責(zé)安全監(jiān)控系統(tǒng)各設(shè)備的連接和信息的傳遞。整個(gè)煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 整個(gè)煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

從圖1中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站在整個(gè)煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中占有非常重要的地位，它的總體方案的確定，直接影響其功能和指標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，也關(guān)系整個(gè)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。本文所設(shè)計(jì)的煤礦現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站綜合考慮了安全防爆、采樣速度、通訊速率、維護(hù)方便性以及使用可靠性等多方面因素，使其能夠達(dá)到以下功能：連接各類傳感器監(jiān)測(cè)礦井低濃度甲烷、一氧化碳、風(fēng)速、高濃度甲烷、溫度、壓力、水位等環(huán)境參數(shù)；監(jiān)測(cè)風(fēng)門、設(shè)備開停、皮帶運(yùn)輸機(jī)等各種開關(guān)狀態(tài)參數(shù)：可循環(huán)顯示所接傳感器的數(shù)據(jù)、控制信號(hào)、通訊、供電狀態(tài)；帶有RS485通訊接口，可接入智能傳感器及其它開停設(shè)備與子系統(tǒng)；能與地面中心站有線通訊，接受中心站控制，執(zhí)行中心站的控制命令；能夠獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)報(bào)警、斷電控制等功能。為達(dá)到上述功能，確定如圖2所示的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站與地面中心站上位機(jī)之間系統(tǒng)框圖。在圖2中，上位機(jī)作為監(jiān)控主機(jī)，接收來自不同的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站的采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理、顯示，并實(shí)時(shí)地對(duì)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站進(jìn)行控制；監(jiān)控主機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站之間的通訊均采用CAN總線通訊方式；為了防止非本電路的危險(xiǎn)能量串入本電路中，設(shè)置了安全柵。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站與地面中心站通訊的系統(tǒng)框圖

2 煤礦現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站主要完成模擬量和開關(guān)量采集、初步數(shù)據(jù)處理、顯示、通訊、報(bào)警和斷電輸出等功能，為達(dá)到上述功能，其設(shè)計(jì)原則應(yīng)為低成本、低功耗、容易安裝調(diào)試和維護(hù)方便。監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能應(yīng)為以下幾方面：8路模擬量采集中4路用作瓦斯模擬量輸入，4路用作通用模擬量輸入，分辨率為12位；8路開關(guān)量輸入，8路開關(guān)量輸出；實(shí)現(xiàn)CAN總線通信；繼電器斷電輸出控制。因此，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

從圖3中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站硬件電路模塊主要有：?jiǎn)纹瑱C(jī)輔助電路、液晶顯示電路、CAN通訊電路、聲光報(bào)警電路、繼電器斷電輸出電路、鍵盤輸入電路、開關(guān)量輸入電路、通用模擬量輸入電路和電源電路。其中單片機(jī)輔助電路為監(jiān)測(cè)站工作提供時(shí)鐘、完成復(fù)位等功能。液晶顯示電路可以循環(huán)顯示各個(gè)通道的模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)、通訊及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。CAN通訊電路實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站與監(jiān)控主機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站之間的通訊。聲光報(bào)警電路的作用是當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。繼電器斷電輸出電路用于控制皮帶運(yùn)輸機(jī)等大型設(shè)備的開停。鍵盤輸入電路用于各種數(shù)據(jù)的輸入與控制，設(shè)定監(jiān)測(cè)站地址、輸入通道等。開關(guān)量輸入電路用于監(jiān)測(cè)井下電氣設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。通用模擬量輸入電路可以采集瓦斯或其他類型的模擬量。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

在上述硬件電路中，選用的運(yùn)算放大器為L(zhǎng)M324。LM324是四運(yùn)放集成電路，它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立，并具有相位補(bǔ)償電路，耗電低，電源電壓范圍寬。CAN通信收發(fā)器選用SN65HVD230芯片，該收發(fā)器具有差分收發(fā)能力，最高速率可達(dá)lMb/s。本文的設(shè)計(jì)中選擇JZC-32F型單相固態(tài)繼電器，選擇HEl205B的電磁式蜂鳴器，它的工作電流＜10mA，具有低功耗的特點(diǎn)，選用TLP521-4光電耦合器。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站的單片機(jī)采用C805lF040作為控制核心，C805lF040具有高速8051微控制器內(nèi)核，20個(gè)向量中斷源，從而大大提升了指令執(zhí)行效率，對(duì)于外設(shè)的連接采用的是交叉開關(guān)設(shè)置，從而使得系統(tǒng)的集成度得到很大的提高，C8051F040具有完善的CAN總線控制器和獨(dú)立的CAN信息緩沖區(qū)，可以解決MCU與CAN總線之間串并轉(zhuǎn)換、不同節(jié)點(diǎn)間波特率誤差的校正、以及利用CAN的緩存區(qū)來解決MCU與CAN總線通訊的沖突競(jìng)爭(zhēng)和同步等問題。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站硬件選型表如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站硬件選型表

3 煤礦現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站的軟件在程序設(shè)計(jì)時(shí)采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法有利于程序代碼的優(yōu)化，而且便于設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)。整個(gè)監(jiān)測(cè)站的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)主程序和任務(wù)子程序兩部分組成。系統(tǒng)主程序負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度，任務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)子功能。主程序在完成系統(tǒng)初始化后，順序執(zhí)行各子模塊程序，直至完成任務(wù)。系統(tǒng)軟件組成框圖如圖4所示。從圖4中可以看出，子程序模塊主要包括：CAN串行通訊模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、定時(shí)器模塊、存儲(chǔ)器模塊、看門狗模塊、液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊。

圖4 系統(tǒng)軟件組成框圖

CAN串行通訊模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和CAN總線之間的連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊，如發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)等，通過CAN通訊協(xié)議來實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的聯(lián)系。A/D轉(zhuǎn)換模塊用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采樣及轉(zhuǎn)換。定時(shí)器模塊用來定時(shí)數(shù)據(jù)采集、鍵盤掃描、計(jì)時(shí)等。存儲(chǔ)器模塊用來設(shè)定報(bào)警極限值。看門狗模塊是為了防止程序跑飛而設(shè)計(jì)的，如果它超過定時(shí)時(shí)間，則會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生復(fù)位。液晶顯示模塊根據(jù)控制功能鍵的不同來顯示相應(yīng)的內(nèi)容。鍵盤輸入模塊用來控制顯示各模擬量和開關(guān)量的狀態(tài)，設(shè)置分站地址。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站主程序流程圖如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站主程序流程圖

4 結(jié)論

本文將CAN總線應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)中，提出了基于CAN總線的煤礦現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，其中針對(duì)其硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選型，給出現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站的軟件設(shè)計(jì)思想與流程圖。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)提供一定的理論支撐與借鑒。

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