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，長春 130118）

0 引言

目前，我國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)方面取得了長足的進(jìn)步：但同時安全管理的現(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煤礦安全生產(chǎn)發(fā)展趨勢[1,2]?，F(xiàn)代化煤炭企業(yè)管理離不開現(xiàn)代化安全監(jiān)測系統(tǒng)，通過對監(jiān)控站系統(tǒng)所測參數(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，同時在發(fā)生事故的情況下，能及時指示最佳救災(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)場監(jiān)測站系統(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)場監(jiān)測站系統(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)場監(jiān)測站系統(tǒng)總體方案

整個煤礦監(jiān)測系統(tǒng)是由地面中心站、網(wǎng)關(guān)節(jié)點站、分支中繼器、井下現(xiàn)場監(jiān)測站、各種傳感器以及通信介質(zhì)六部分組成。整個監(jiān)控系統(tǒng)分三級結(jié)構(gòu)，即地面中心站—現(xiàn)場監(jiān)測站—傳感器。其中地面中心站負(fù)責(zé)接收、存儲和顯示從井下現(xiàn)場監(jiān)測站傳來的各種井下生產(chǎn)環(huán)境安全監(jiān)控數(shù)據(jù)，并通過各個井下監(jiān)測站發(fā)送各種配置命令和對現(xiàn)場設(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)信號的轉(zhuǎn)換；網(wǎng)關(guān)節(jié)點站實現(xiàn)現(xiàn)場總線協(xié)議和地面中心站計算機(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)場環(huán)境安全監(jiān)控數(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。整個煤礦監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 整個煤礦監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

從圖1中可以看出，現(xiàn)場監(jiān)測站在整個煤礦監(jiān)測系統(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)能否實現(xiàn)，也關(guān)系整個監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。本文所設(shè)計的煤礦現(xiàn)場監(jiān)測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、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；能夠獨立工作，實現(xiàn)報警、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)場監(jiān)測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)場監(jiān)控站的采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理、顯示，并實時地對各個現(xiàn)場監(jiān)控站進(jìn)行控制；監(jiān)控主機(jī)與現(xiàn)場監(jiān)控站及現(xiàn)場監(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能量串入本電路中，設(shè)置了安全柵。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測站與地面中心站通訊的系統(tǒng)框圖

2 煤礦現(xiàn)場監(jiān)測站系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

現(xiàn)場監(jiān)測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、報警和斷電輸出等功能，為達(dá)到上述功能，其設(shè)計原則應(yīng)為低成本、低功耗、容易安裝調(diào)試和維護(hù)方便。監(jiān)測站系統(tǒng)所實現(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；實現(xiàn)CAN總線通信；繼電器斷電輸出控制。因此，現(xiàn)場監(jiān)測站系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

從圖3中可以看出，現(xiàn)場監(jiān)測站硬件電路模塊主要有：單片機(jī)輔助電路、液晶顯示電路、CAN通訊電路、聲光報警電路、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)測站工作提供時鐘、完成復(fù)位等功能。液晶顯示電路可以循環(huán)顯示各個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通訊電路實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測站與監(jiān)控主機(jī)以及現(xiàn)場監(jiān)測站之間的通訊。聲光報警電路的作用是當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r實現(xiàn)自動報警。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)測站地址、輸入通道等。開關(guān)量輸入電路用于監(jiān)測井下電氣設(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)場監(jiān)測站系統(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LM324。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，選用TLP521-4光電耦合器?，F(xiàn)場監(jiān)測站的單片機(jī)采用C805lF040作為控制核心，C805lF040具有高速8051微控制器內(nèi)核，20個向量中斷源，從而大大提升了指令執(zhí)行效率，對于外設(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總線通訊的沖突競爭和同步等問題?，F(xiàn)場監(jiān)測站硬件選型表如表1所示。

表1 現(xiàn)場監(jiān)測站硬件選型表

3 煤礦現(xiàn)場監(jiān)測站系統(tǒng)軟件設(shè)計

現(xiàn)場監(jiān)測站的軟件在程序設(shè)計時采用了模塊化設(shè)計方法，這種設(shè)計方法有利于程序代碼的優(yōu)化，而且便于設(shè)計、調(diào)試和維護(hù)。整個監(jiān)測站的軟件系統(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、定時器模塊、存儲器模塊、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串行通訊模塊實現(xiàn)單片機(jī)和CAN總線之間的連接，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測站與上位機(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)議來實現(xiàn)上下位機(jī)之間的聯(lián)系。A/D轉(zhuǎn)換模塊用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采樣及轉(zhuǎn)換。定時器模塊用來定時數(shù)據(jù)采集、鍵盤掃描、計時等。存儲器模塊用來設(shè)定報警極限值。看門狗模塊是為了防止程序跑飛而設(shè)計的，如果它超過定時時間，則會使系統(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)場監(jiān)測站主程序流程圖如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場監(jiān)測站主程序流程圖

4 結(jié)論

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

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