郭超　郭美娟

摘 要：礦井工作環(huán)境惡劣，礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用就是持續(xù)監(jiān)測到誘發(fā)礦井災害的安全隱患問題，并及時采取安全處理措施?；贑AN總結技術的礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的響應速度，保證安全問題監(jiān)測的實時性、穩(wěn)定性及安全性，從而有效降低礦井事故發(fā)生率。文章就針對CAN總線技術在煤礦井下安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應用進行探討。

關鍵詞：礦井；安全監(jiān)測系統(tǒng)；CAN總線技術

煤礦作業(yè)生產環(huán)節(jié)多、涉及到大型的機電設備多，且工作環(huán)境高溫高濕，十分惡劣，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的應用可在最大程度上保障井下作業(yè)人員的人身安全，提高生產效率，降低生產成本。

1 煤礦通信的特點

與其它行業(yè)的通信系統(tǒng)相比，煤礦通信具有以下幾個方面的特點：首先，環(huán)境惡劣。系統(tǒng)觀測點多數均位于井下及高壓設備環(huán)境中，日常工作均處于較強的電磁輻射及潮濕腐蝕的狀態(tài)，惡劣的工作環(huán)境不僅會影響到現場檢測的準確性，而且會干擾數據傳輸。其次，檢測對象種類多。由于礦井下的危險因素比較多，很多環(huán)境參數可能會與事故的發(fā)生與發(fā)展有直接相關性，比如通風不足會導致瓦斯?jié)舛壬?，達到一定程度可能發(fā)生爆炸；再比如一氧化碳可能會導致工作人員中毒等，因此煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)必須準確測量每一項安全參數，并準確的傳輸至控制中心，以保證煤礦生產的安全性。最后，測量點分布廣泛。煤礦生產范圍大，監(jiān)測系統(tǒng)必須廣泛分布于各個測量點，才可以保證監(jiān)測范圍更加全面，這也就無形中增加了傳感器信號及其它檢測信號傳送的復雜性，對遠距離傳輸的安全性、可靠性要求也更高。

2 CAN總線技術概述

CAN總線技術是德國Bosch公司推出的一種現場標準，屬于工業(yè)現場總線的范疇，即控制器局域網絡，是一種串行通信總線，其可實現點對點、一點對多點的通信，與其它總線技術相比，CAN具有較強的實時性與要靠性，且可以實現遠距離傳輸，并獲得較高的數據傳輸速率。并且系統(tǒng)結構簡單、成本相對更低，因此在各個行業(yè)領域的應用越來越廣泛。在礦井生產中，CAN總線采用的是雙絞線介質，采用差分電壓進行信號采集，保證了系統(tǒng)數據良好的抗干擾性能，因此是礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)中理想的總線技術。在礦井安全監(jiān)測過程中，溫濕度、可燃氣體的含量是重要參數，井下保持正常的溫濕度，可降低礦井火災發(fā)生的機率，而且工作人員處于正常的工作環(huán)境中，其工作效率也更高；監(jiān)測可燃氣體的主要目的是防止瓦斯爆炸，如果空氣中的可燃的氣體濃度過高，則系統(tǒng)傳統(tǒng)器就會監(jiān)測到，并根據設定值發(fā)送警報，便于管理人員采取有效的應對措施。

3 煤礦井下安全監(jiān)測系統(tǒng)中CAN技術的應用

本研究以某礦井為例，對其安全監(jiān)測系統(tǒng)設計進行分析。

3.1 硬件設計

基于CAN技術的安全監(jiān)測系統(tǒng)主要包括微處理器模塊、CAN總線模塊及濾波器。根據煤礦井下環(huán)境要求，本系統(tǒng)的通信管理機CPU選擇ATMEL公司的8位高性能嵌入式微處理器ATmega64，其采用單循環(huán)周期指令，可獲得較快的執(zhí)行速度，而且穩(wěn)定性強，可以滿足通信管理機的要求。CAN總線上數據收發(fā)采用中斷的方式，以保證通信管理機的實時性；ATmega64共提供2個串口，其中一個通過Max232提供RS-232串行通訊口，另一個串口則留作備用，實現雙機備份功能。CAN控制器SJA 1000及CAN收發(fā)器MCP2551實現CAN總線模塊的CPU與CAN總線的連接，單片機I/O口與SJA 1000的各個引腳相連接，實現數據傳輸及總結控制。SJA 1000在擴展模式下可以選擇單濾波器模式或雙濾波器模式，該系統(tǒng)選擇單濾波器模式。CAN總線上協(xié)議規(guī)定把廣播節(jié)點發(fā)送的數據幀過濾器中的一個數據幀設定為接受任何標識符節(jié)點，當廣播節(jié)點將數據發(fā)送至總線時，總線上各個節(jié)點均可接受到其所傳輸的數據。

3.2 軟件設計

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化的編程方法，根據不同的功能將不同的模塊劃分開來，并按層次結構組織起來，以提高編程效率及系統(tǒng)運行效率，且后續(xù)的升級、擴展也更加便利。

（1）主節(jié)點程序：地面監(jiān)控中心要求間隔1s即獲取一次井下數據，因此各個子節(jié)點向主節(jié)點傳送數據的周期也是1s，相應的，CAN總線的總線周期即為1s。在系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)廣播幀、控制參數通訊幀等信息會由主節(jié)點在每個總線周期內發(fā)送至各個子節(jié)點，按照發(fā)送幀的順序，子節(jié)點再將對應的采樣數據傳遞出來。由此可見，子節(jié)點是按照不同的節(jié)點編號來決定傳遞的優(yōu)先級別，面子節(jié)點的發(fā)送周期則由節(jié)點數量來決定。當然，實際工作中，需要根據實際情況動態(tài)調整節(jié)點數據，如果CAN總線的節(jié)點數量減少，相應的系統(tǒng)波特率也會發(fā)生變化。

（2）子節(jié)點程序設計：確認幀由主節(jié)點發(fā)送完畢后，通用子節(jié)點的AD采樣模塊啟動進行持續(xù)的數據采集，在接收到主節(jié)點發(fā)送的數據請求命令后，通用子節(jié)點的控制定時器即刻起動，向主節(jié)點逐幀發(fā)送測量數據，整個過程均處于發(fā)送周期內。數據幀發(fā)送完成后檢測CPU復位情況。

（3）軟件抗干擾措施：由于監(jiān)測系統(tǒng)處于一個十分復雜的工作環(huán)境，雖然硬件設計時采用了抗干擾措施，但是抗干擾不能完全依靠硬件來解決，軟件抗干擾措施十分必要。首先開發(fā)自檢程序，對單片機系統(tǒng)的硬件、軟件狀態(tài)進行檢測；其次采用軟件濾波功能，使用軟件檢測算法可以解決原來硬件電路無法實現的信號處理問題，各個測量環(huán)節(jié)硬件本身存在的缺陷或弱點均可以通過軟件檢測算法克服或彌補，以提高系統(tǒng)的綜合性能。本系統(tǒng)采用的是算術平均值濾波法，該方法是將輸入的N個采樣數據進行求和，再將所得數據除以采樣次數，最終得出本次采樣的有效數據。

總之，CAN總線是一種面向一般工業(yè)設備的高速通信總線，其具有實時性高、數據精簡的特點，在特殊的煤礦井下工作環(huán)境中，在煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)中應用CAN總結技術是切實可行的，且應用前景十分廣闊。

參考文獻

[1]王躍東，楊衛(wèi)波.CAN總線技術在煤礦監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究[J].煤炭工程，2014（5）：107-108.

[2]饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[3]張麗，丁恩杰，何玉偉，等.礦用CAN/485總線網關的設計與實現[J].工礦自動化，2015（9）：96-98.