郝 偉，葉 牛

(1.汾西礦業(yè) 紫金煤業(yè)公司，山西 晉中 031300；2.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030053)

煤礦井下排水系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要系統(tǒng), 它承擔(dān)著排出井下全部涌水的任務(wù),是保證煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。同時(shí)，排水系統(tǒng)的耗能較高，約占礦井全部用電的13％～18％。因此，有效地控制排水系統(tǒng)，使其低耗、經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行對煤礦安全生產(chǎn)意義重大，也是降低煤炭生產(chǎn)成本的有效途徑。

本文根據(jù)某煤礦生產(chǎn)實(shí)際情況，研究并設(shè)計(jì)了一種基于C8051F040單片機(jī)的煤礦排水泵監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有傳輸質(zhì)量穩(wěn)定可靠、集成度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。采用集成CAN總線、A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能為一體的單片機(jī)C8051F040作為核心控制器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測井下水倉水位，并采集排水系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)過上位機(jī)的閾值設(shè)置或數(shù)據(jù)分析后，能進(jìn)行自動報(bào)警或系統(tǒng)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)支持CAN總線和PC監(jiān)控端通信，使地面人員可以隨時(shí)監(jiān)測排水泵的運(yùn)行參數(shù)并進(jìn)行控制。與傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)減少了CAN控制器，A/D轉(zhuǎn)換電路等外圍器件，簡化了電路設(shè)計(jì)，提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性，同時(shí)也減少了開發(fā)成本。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以C8051F040單片機(jī)為控制核心，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動控制、水倉水位超限報(bào)警等功能。排水泵的電壓、電流、真空度、潤滑油油壓、油溫等一系列參數(shù)可以通過CAN總線發(fā)送到客戶端上位機(jī)數(shù)據(jù)庫，通過PC數(shù)據(jù)分析后，判斷是否出現(xiàn)異常情況。若設(shè)備異常，系統(tǒng)自動啟停繼電器，關(guān)閉設(shè)備并報(bào)警，達(dá)到自動保護(hù)排水泵的目的。當(dāng)檢測到水位值低于最小水位閾值或高于最大閾值時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行相應(yīng)的排水量調(diào)整并報(bào)警。該系統(tǒng)不僅可以使用戶通過上位機(jī)查看當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行工況、水位值等參數(shù)；并具有實(shí)時(shí)控制、存儲數(shù)據(jù)功能。另外，還可以根據(jù)實(shí)際情況重新設(shè)置傳感器的報(bào)警閾值、報(bào)警信息等。該總體設(shè)計(jì)包括：數(shù)據(jù)采集模塊、傳輸模塊、客戶端模塊3部分。

整個(gè)煤礦排水泵監(jiān)控系統(tǒng)采用了“監(jiān)控中心—各節(jié)點(diǎn)—傳感器”的樹形總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。井上監(jiān)控中心室的上位機(jī)選用工控機(jī)構(gòu)建，是整個(gè)系統(tǒng)檢測控制的中心，可實(shí)現(xiàn)排水泵運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、控制和管理功能。井下監(jiān)控子站的下位機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)基于F040的微控制器構(gòu)建。多個(gè)監(jiān)控子站通過屏蔽雙絞線和CAN通信適配卡，實(shí)現(xiàn)井 下CAN節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心上位機(jī)之間數(shù)據(jù)信息的傳輸。

2 系統(tǒng)硬件電路

針對該系統(tǒng)通信特點(diǎn)，以C8051F040單片機(jī)為微處理器，進(jìn)行外圍電路的設(shè)計(jì)。該電路主要由通信模塊和電源電路模塊構(gòu)成，其中通信模塊包括串口通信模塊、USB-CAN轉(zhuǎn)換電路、電氣隔離、光耦隔離等防干擾模塊。

在通訊設(shè)計(jì)中系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括CAN控制器、CAN接收器、光耦隔離以及電源隔離等。C8051F040內(nèi)部已經(jīng)集成Bosch CAN控制器，無需再配置；CAN接收器選用TJA1050CAN高速收發(fā)器，其中CAN協(xié)議控制器通過串行數(shù)據(jù)發(fā)送線CANTX和接收線CANRX連接到收發(fā)器，收發(fā)器通過有差動抗干擾能力的總線終端CANH和CANL連接到CAN-BUS總線收發(fā)器，使用+3.8 V額定電源電壓，通過控制引腳S可以選擇兩種工作模式：高速模式和靜音模式。這里將引腳S接地或懸空，將TJA1050進(jìn)入高速模式，使其運(yùn)行 。光耦隔離選用TLP113貼片方式安裝。TJA1050連接圖見圖1。

圖1 TJA1050連接圖

井下情況復(fù)雜，各種電磁干擾大，會對數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生一定的干擾，所以，應(yīng)進(jìn)行總線抗干擾設(shè)計(jì)：

1) 總線阻抗匹配CAN總線的末端必須連接2個(gè)120 Ω的電阻。由于信號傳輸時(shí)，在傳輸線終端會形成反射波，干擾原信號，所以需要在傳輸線末端加終端電阻，使信號到達(dá)傳輸線末端后不反射。

2) 為防止TJA1050受到過流沖擊，TJA1050的CANH和CANL引腳各通過1個(gè)5 Ω的電阻連接到總線上，并在CANH和CANL端與地之間并聯(lián)2個(gè)30 pF的電容， 用于濾除總線上高頻電磁干擾。

3) 為了實(shí)現(xiàn)CAN總線各節(jié)點(diǎn)的電氣隔離，CAN信號接收引腳和發(fā)送引腳不直接連接到TJA1050，而是經(jīng)由高速光耦TLP113連接到RXD和TXD端。LP113連接圖見圖2。

圖2 TLP113連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于CAN總線的煤礦系統(tǒng)軟件部分主要包括監(jiān)控中心上位機(jī)測控平臺軟件、數(shù)據(jù)采集程序和CAN節(jié)點(diǎn)通信程序等部分。使用具有良好人機(jī)界面的遠(yuǎn)程測控平臺軟件(Visual Basic.NET)開發(fā)監(jiān)控中心上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)直觀顯示和控制、通訊狀態(tài)檢測、安全預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)打印等功能，并為煤礦的安全生產(chǎn)調(diào)度提供輔助決策。下面分析數(shù)據(jù)采集程序和CAN節(jié)點(diǎn)通信程序：

3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦井下多個(gè)水倉排水泵布置CAN節(jié)點(diǎn)監(jiān)控子站。由于檢測的多個(gè)排水泵及水倉參數(shù)不同，其信號采集處理電路也會不同。開關(guān)量可直接送至通用IO接口；模擬量需要經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行調(diào)理濾波，轉(zhuǎn)換為0～2.5 V的直流電壓信號(選取2.5 V為參考電壓)后由隔離放大器輸入至單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器上。將水位和電機(jī)電壓、電流、真空度、潤滑油油壓、油溫等監(jiān)測數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳到井上上位機(jī)，得到實(shí)時(shí)數(shù)字量，為了驗(yàn)證CAN總線的實(shí)時(shí)性和可靠性，在上位機(jī)軟件中設(shè)計(jì)了各項(xiàng)指標(biāo)曲線顯示窗口，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2 CAN通信程序設(shè)計(jì)

CAN總線是德國Bosch公司開發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。與其他傳統(tǒng)總線通訊方式相比，CAN總線具有多主方式工作、多優(yōu)先級、CRC自檢、非破壞性總線仲裁以及多種方式傳送數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(速率5 kbps)，通信速率最高達(dá)1 Mbps(此時(shí)距離為40 m)，節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可擴(kuò)展至110個(gè)。其次，采用具有較高抗干擾的屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，能夠適應(yīng)井下粉塵大、電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境。

通常CAN總線系統(tǒng)是一個(gè)主從式控制系統(tǒng)。從節(jié)點(diǎn)接收到主節(jié)點(diǎn)的命令后，根據(jù)制定的通訊協(xié)議將主節(jié)點(diǎn)需要的報(bào)文返回給主節(jié)點(diǎn)，或者執(zhí)行主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制命令。主程序設(shè)計(jì)主要包括CAN初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收3部分。系統(tǒng)復(fù)位后程序先完成系統(tǒng)的初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、端口寄存器、看門狗以及CAN寄存器的初始化。在CAN的初始化中先設(shè)定波特率，再初始化晶振、IO延時(shí)、消除消息號以及啟動CAN，設(shè)定主節(jié)點(diǎn)的地址為0，并且初始化消息目標(biāo)。配置遠(yuǎn)程幀接受函數(shù)、數(shù)據(jù)幀接受函數(shù)初始化以及數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收函數(shù)。程序中數(shù)據(jù)幀的接收函數(shù)就是將CANDAT寄存器的數(shù)據(jù)讀出，同時(shí)將此數(shù)據(jù)幀的ID號、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)讀出并進(jìn)行編幀存儲到FLASH存儲模塊。若不成功，則系統(tǒng)會轉(zhuǎn)向總線上的其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)操作，CAN程序流程圖見圖3。

圖3 CAN程序流程圖

CAN總線系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上數(shù)據(jù)的收發(fā)不依據(jù)節(jié)點(diǎn)地址，而是通過軟件為每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)ID表，如果該數(shù)據(jù)包的ID號在該節(jié)點(diǎn)的ID表中，則數(shù)據(jù)包成功通過該節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收濾波器單元的驗(yàn)收，并將被送到上層軟件處理單元進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，否則，該數(shù)據(jù)包被丟棄。由于節(jié)點(diǎn)的地址不是固定的，變更節(jié)點(diǎn)不會影響總線上原有節(jié)點(diǎn)間的通信。所以，這種ID機(jī)制對于總線系統(tǒng)的擴(kuò)展具有較高的靈活性。

4 系統(tǒng)的驗(yàn)證

整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試中，需連接傳感器和數(shù)字量信號源，啟動采集存儲、實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。在系統(tǒng)測試中，上位機(jī)接受下位機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)值，利用配套實(shí)時(shí)監(jiān)測軟件將存儲的SRAM數(shù)據(jù)顯示，并通過上位機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件將模擬量和數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)包解析，下位機(jī)隨時(shí)執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送的命令，例如啟停某個(gè)部件、設(shè)定某項(xiàng)參數(shù)等。

5 結(jié)束語

根據(jù)某煤礦實(shí)際情況，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于CAN總線井下排水泵監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)井下每個(gè)排水泵CAN節(jié)點(diǎn)體積小、功耗低、組網(wǎng)靈活、后期擴(kuò)張方便，與傳統(tǒng)的RS485通訊方式相比，該系統(tǒng)提高了監(jiān)測的實(shí)時(shí)性，傳輸效率高、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠運(yùn)行于復(fù)雜惡劣的煤礦礦井環(huán)境，具有良好的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性，滿足了煤礦井下排水泵多個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作要求。該監(jiān)測系統(tǒng)稍作改進(jìn)后也可用于需要對復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的其它測控領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用空間。

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