柯書(shū)國(guó) 張紅娟 靳寶全 高 妍 薛 瑄

(1.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西省太原市，030024)

基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動(dòng)排水系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

柯書(shū)國(guó)1張紅娟1靳寶全2高 妍1薛 瑄2

(1.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西省太原市，030024)

針對(duì)煤礦巷道積水點(diǎn)分散、人工巡檢效率低、常用的主分站通信方式布線工作繁瑣和成本較大等問(wèn)題，研究與設(shè)計(jì)了基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動(dòng)排水系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、監(jiān)控點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)和通訊軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)礦井積水點(diǎn)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、各監(jiān)控點(diǎn)的信息查詢、參數(shù)修改、沿途異常點(diǎn)報(bào)警和自動(dòng)排水等功能，系統(tǒng)工作穩(wěn)定且信息交互可靠。

CAN總線 主分站一體化 自動(dòng)排水系統(tǒng)

AbstractTo solve the problems such as the disperse roadway ponding points, low efficiency of the manual routing inspection, the tedious wiring work of the common communication mode of master station and substation and large cost, coal mine automatic drainage system of master station and substation integration based on CAN bus was studied and designed, the system's whole scheme design was analyzed, and its monitory point hardware structure design and communication system circuit design were introduced, and the system's communication software design was elaborated. The system test results showed that the system could realize real-time remote monitoring of mine ponding points and information search, parameter modification, outliers alarm on the way and automatic drainage of each monitoring point, the system worked stably and the information interaction was reliable.

KeywordsCAN bus, integration of master station and substation, automatic drainage system

煤礦水害作為煤礦五大地質(zhì)災(zāi)害之一，具有分布分散、環(huán)境多變和管理智能化不足等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約著煤礦的安全和高效發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)仍有較多煤礦依靠巡檢人員觀測(cè)水倉(cāng)水位變化和人工手動(dòng)啟停水泵排水，這樣不僅工作繁瑣，而且容易由于人員巡檢不及時(shí)或誤操作造成煤礦安全事故；部分礦井巷道雖然采用水位傳感器和繼電器聯(lián)動(dòng)控制水泵的啟停，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)水泵的遠(yuǎn)程監(jiān)控和參數(shù)修改；井下無(wú)線通信雖無(wú)需布設(shè)線路，但是存在抗干擾能力弱、穩(wěn)定性差、維護(hù)困難和傳輸距離短等問(wèn)題；傳統(tǒng)的煤礦自動(dòng)排水系統(tǒng)大多采用分站組網(wǎng)和主站集中監(jiān)控的控制方式，但是各個(gè)分站到主站之間具有布線繁瑣、成本較高、主站位置相對(duì)固定以及不宜變更等問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動(dòng)排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有總監(jiān)控點(diǎn)的靈活切換以及不受空間限制等優(yōu)點(diǎn)，各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)通過(guò)CAN總線、礦用以太網(wǎng)和信息的共享實(shí)現(xiàn)煤礦的智能控制，從而提高煤礦排水的自動(dòng)化水平。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動(dòng)排水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 基于CAN總線的煤礦自動(dòng)排水系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可以看出，系統(tǒng)中各個(gè)傳感器將采集到的水位數(shù)據(jù)和水泵啟停信息傳輸?shù)奖O(jiān)控點(diǎn)和地面上位機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示、監(jiān)測(cè)和報(bào)警，監(jiān)控點(diǎn)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的處理，合理地控制水泵的運(yùn)行狀態(tài)，工作人員可通過(guò)監(jiān)控點(diǎn)和地面監(jiān)控中心及時(shí)了解監(jiān)控點(diǎn)的水位信息，及時(shí)作出相關(guān)應(yīng)對(duì)措施，避免煤礦事故的發(fā)生。監(jiān)控點(diǎn)之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，工作人員可通過(guò)觸摸、紅外遙控或按鍵操作，在任何一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)上查詢其他監(jiān)控點(diǎn)的水位信息，修改水位報(bào)警和水泵啟停動(dòng)作值。該系統(tǒng)中每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)根據(jù)煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)需要，可以設(shè)置切換主分站狀態(tài)，該系統(tǒng)中只能設(shè)置一個(gè)總監(jiān)控點(diǎn)，不同監(jiān)控點(diǎn)間通過(guò)設(shè)置地址加以區(qū)分，作為主分站一體的監(jiān)控點(diǎn)保留了其他監(jiān)控點(diǎn)的所有功能，同時(shí)它采集所有監(jiān)控點(diǎn)水位信息，并把各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的水位信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及水泵動(dòng)作值通過(guò)礦用以太網(wǎng)上傳到地面上位機(jī)，便于地面人員集中監(jiān)控。

2 監(jiān)控點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控點(diǎn)采用的STM32F407ZGT6(以下簡(jiǎn)稱STM32F407)作為主控制芯片，該芯片集成了FPU和DSP指令，并具有1024 KB FLASH、192 KB SRAM、12個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)CAN、2個(gè)32位定時(shí)器、6個(gè)串口、3個(gè)SPI及112個(gè)通用I/O口等，最高頻率高達(dá) 168 MHz，完全能夠滿足該系統(tǒng)的通信、采集和控制功能。該系統(tǒng)以STM32F407為核心，設(shè)計(jì)了水位和水泵開(kāi)停信號(hào)識(shí)別電路采集水位信息和水泵運(yùn)行狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)了水泵啟?？刂?、報(bào)警和紅外電路控制水泵啟停和異常報(bào)警，集成了CAN和以太網(wǎng)接口供監(jiān)控點(diǎn)之間以及監(jiān)控點(diǎn)與地面上位機(jī)之間信息交互。

2.1 水位信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

監(jiān)控點(diǎn)的水位測(cè)量采用的是本安類(lèi)型的電容式液位傳感器，該傳感器輸出的是200～1000 Hz的頻率信號(hào)，頻率信號(hào)與水位值近似呈線性關(guān)系，水位信號(hào)采集電路圖如圖2所示。

圖2 水位信號(hào)采集電路圖

由圖2可以看出，水位傳感器傳輸?shù)念l率信號(hào)先經(jīng)光耦電-光-電轉(zhuǎn)換隔離，再經(jīng)過(guò)反相觸發(fā)器整形處理成方波信號(hào)后由PE1或PE2引腳輸入到主控芯片STM32F407的通用I/O引腳上，頻率信號(hào)和水位值一一對(duì)應(yīng)，經(jīng)公式(1)換算即可得到實(shí)時(shí)水位值：

(1)

式中：X——實(shí)時(shí)水位值，m；

K——水位傳感器的測(cè)量量程，m；

f——頻率信號(hào)，Hz。

2.2 水泵運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)采集電路

監(jiān)控點(diǎn)水泵運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)是利用礦用開(kāi)停傳感器的電磁感應(yīng)來(lái)間接地測(cè)量水泵的工作狀態(tài)。水泵有正常工作、停止工作、斷電或故障這3種運(yùn)行狀態(tài)，正常工作時(shí)，開(kāi)停傳感器感應(yīng)出50.5 mA的電流使光耦的發(fā)光二極管D3、D4導(dǎo)通，PE9和PE10的I/O口均輸出高電平；停止工作時(shí)，開(kāi)停傳感器感應(yīng)出的1 mA0.2 mA 電流僅使光耦的發(fā)光二極管D3導(dǎo)通，PE9 I/O口輸出高電平，PE10 I/O輸出低電平；斷電或故障時(shí)，PE9和PE10 I/O口均輸出低電平。主控芯片可根據(jù)I/O口不同的電平判斷水泵的運(yùn)行狀態(tài)。開(kāi)停信號(hào)采集電路圖如圖3所示。

圖3 開(kāi)停信號(hào)采集電路圖

2.3 水泵的啟停信號(hào)采集電路

水泵的啟停由電磁啟動(dòng)器控制，電磁啟動(dòng)器可切換到遠(yuǎn)程控制模式。監(jiān)控點(diǎn)的控制信號(hào)由PB3 I/O口發(fā)出經(jīng)光耦電-光-電隔離，放大后通過(guò)控制繼電器閉合來(lái)控制電磁啟動(dòng)器的開(kāi)停，從而控制水泵的啟停。當(dāng)PB3 I/O口輸出低電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器線圈通電，繼電器公共端與常開(kāi)觸點(diǎn)吸合。當(dāng)PB3 I/O口輸出高電平時(shí)，繼電器不動(dòng)作。電磁啟動(dòng)器并聯(lián)反向續(xù)流二極管D5，防止三極管由導(dǎo)通關(guān)斷切換時(shí)損害線圈。繼電器控制電路圖如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路圖

報(bào)警電路也是由監(jiān)控點(diǎn)的控制信號(hào)經(jīng)光耦電-光-電轉(zhuǎn)換隔離，放大后通過(guò)控制繼電器閉合來(lái)控制報(bào)警裝置報(bào)警。該系統(tǒng)中水泵的啟停設(shè)有自動(dòng)模式和手動(dòng)模式兩種方式，自動(dòng)模式下，當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)兩路水位任何一路達(dá)到低水位啟動(dòng)值，STM32F407輸出低電平啟動(dòng)一個(gè)水泵排水，當(dāng)積水點(diǎn)水量較大且水位繼續(xù)上升到高水位點(diǎn)時(shí)，STM32F407輸出兩路控制信號(hào)啟動(dòng)兩個(gè)水泵同時(shí)排水，同時(shí)報(bào)警裝置報(bào)警提醒工作人員，到液位恢復(fù)正常時(shí)，STM32F407輸出高電平關(guān)閉水泵。手動(dòng)模式是為了防止裝置或水位傳感器故障時(shí)，可通過(guò)按鍵操作來(lái)控制繼電器閉合。

2.4 液晶顯示模塊

顯示模塊選擇的是TFTLCD 16位真彩液晶顯示器，TFTLCD 自帶觸摸屏，并且其功耗和對(duì)比度等整體性能比常規(guī)顯示器都有很大優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)選用的TFTLCD屏為2.8英寸，分辨率為320×240 dpi。這里用STM32F407自帶的FSMC驅(qū)動(dòng)TFTLCD顯示，TFTLCD的讀寫(xiě)時(shí)間不同，F(xiàn)SMC的模式A支持獨(dú)立的時(shí)序控制，初始化時(shí)只要配置一次，就可滿足不同的讀寫(xiě)時(shí)序。液晶模塊與FSMC采用16位并行連接，處理速度快，用戶可以通過(guò)按鍵或紅外操作界面。

3 通信系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 以太網(wǎng)電路設(shè)計(jì)

為了開(kāi)發(fā)方便，采用STM32F407和W5500以太網(wǎng)控制器完成以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)，W5500支持TCP/IP協(xié)議，集成了10/100 M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層及以太網(wǎng)接口，配置32 K字節(jié)緩存供報(bào)文處理，用戶操作Socket寄存器就能實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。W5500提供了SPI外設(shè)串行接口，通信速度高達(dá)80 MHz，從而能夠更好的實(shí)現(xiàn)與外設(shè)MCU的高速網(wǎng)絡(luò)通訊。以太網(wǎng)電路連接示意圖如圖5所示，其中STM32F407的PB3引腳連接W5500的SCLK引腳，用于接收時(shí)鐘信號(hào)；PB14引腳連接W5500的SCSN引腳，作為片選信號(hào)；PB4引腳連接W5500的MISO引腳，作為W5500向STM32F407發(fā)送數(shù)據(jù)引腳；PB5引腳連接W5500的MOSI引腳，作為W5500接收STM32F407數(shù)據(jù)引腳；RJ45接口選用的是自帶網(wǎng)絡(luò)變壓器的HR911105A，通過(guò)RJ45接口與以太網(wǎng)連接。

3.2 CAN總線通信設(shè)計(jì)

監(jiān)控點(diǎn)CAN接口包括CAN控制器和收發(fā)器，STM32F407芯片內(nèi)嵌有CAN控制器bxCAN。bxCAN支持協(xié)議2.0A和2.0B。它可以對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行處理，減小CPU負(fù)荷，完成報(bào)文收發(fā)的仲裁與控制的設(shè)置。CAN收發(fā)器采用自帶隔離的芯片TD501DCANH3，內(nèi)部集成有隔離電源及收發(fā)器件，可實(shí)現(xiàn)與總線2500VDC的電壓隔離，將邏輯電平轉(zhuǎn)換成總線的差分電平，實(shí)現(xiàn)器件的隔離保護(hù)。該模塊體積小，方便實(shí)現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)的連接。CAN收發(fā)電路連接示意圖如圖6所示，其中STM32F407的CAN控制器中PA11和PA12引腳分別與CAN收發(fā)器的收發(fā)引腳連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)；CAN收發(fā)器的起止端都接有120 Ω的終端電阻，來(lái)做阻抗匹配，以減少回波反射，增強(qiáng)通信的可靠性和抗干擾能力。

圖5 以太網(wǎng)電路連接示意圖

圖6 CAN收發(fā)電路連接示意圖

4 井上井下通訊軟件設(shè)計(jì)

4.1 井上井下以太網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)

STM32F407和W5500之間通過(guò)SPI傳輸數(shù)據(jù)，井上井下信息交互前，先對(duì)STM32F407的相關(guān)硬件初始化，調(diào)用庫(kù)函數(shù)SPI_Init()設(shè)置SPI的通信方式和波特率等相關(guān)參數(shù)配置，STM32F407通過(guò)SPI_I2S_SendData()函數(shù)向W5500寄存器寫(xiě)入命令或數(shù)據(jù)，通過(guò)SPI_I2S_ReceiveData()讀取W5500的接收緩存中數(shù)據(jù)，確定井上上位機(jī)與井下監(jiān)控點(diǎn)間是否建立TCP連接，當(dāng)W5500的接收緩存檢測(cè)到有數(shù)據(jù)傳入，經(jīng)過(guò)初步報(bào)文幀幀頭剝離處理，STM32F407讀取處理后的報(bào)文，繼續(xù)剝離MBAP報(bào)文頭部讀取上位機(jī)數(shù)據(jù)及功能碼。STM32F407根據(jù)讀取到的數(shù)據(jù)要求完成相關(guān)操作，并把上位機(jī)要求的信息加上MBAP報(bào)文頭通過(guò)SPI幀發(fā)送到W5500的發(fā)送緩存。若TCP連接，W5500自動(dòng)完成相關(guān)設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成釋放TCP連接，等待下一次數(shù)據(jù)發(fā)送或接受。井上井下通訊流程圖如圖7所示。

4.2 監(jiān)控點(diǎn)間CAN總線軟件設(shè)計(jì)

井下監(jiān)控點(diǎn)之間通過(guò)CAN總線交互，首先對(duì)STM32F407初始化，通過(guò)庫(kù)函數(shù)CAN_Init()設(shè)置CAN的工作模式及波特率等參數(shù)；監(jiān)控點(diǎn)能否接收到有效報(bào)文，取決濾波器的設(shè)置，通過(guò)CAN_FilterInit()函數(shù)設(shè)置濾波器的過(guò)濾器名和關(guān)聯(lián)FIFO等。當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由庫(kù)函數(shù)CAN_Transmit()添加ID、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和消息類(lèi)型等報(bào)文信息并發(fā)送到空置郵箱。郵箱為優(yōu)先級(jí)別最高時(shí)進(jìn)入預(yù)約發(fā)送狀態(tài)，繼續(xù)等待總線滿足發(fā)送條件時(shí)發(fā)送報(bào)文幀。位于CAN總線上的監(jiān)控單元接收CAN總線的報(bào)文幀，通過(guò)過(guò)濾器的CAN報(bào)文幀為有效報(bào)文幀并存入接收郵箱的一個(gè)FIFO中，STM32F407讀取FIFO中的CAN報(bào)文，根據(jù)報(bào)文要求完成相關(guān)操作，等待下一次發(fā)送或接受CAN報(bào)文。CAN通訊流程圖如圖8所示。

圖7 井上井下通訊流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

對(duì)水倉(cāng)水位的正確采集、傳輸和繼電器的及時(shí)無(wú)誤閉合是基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動(dòng)排水系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。在實(shí)驗(yàn)室的條件下測(cè)試了水位和繼電器的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，水位傳感器的測(cè)量量程K為0.95 m，程序設(shè)置系統(tǒng)的繼電器動(dòng)作值為0.68 m，當(dāng)試驗(yàn)采集的水位頻率信號(hào)為334.45 Hz時(shí)，根據(jù)公式(1)計(jì)算得出實(shí)時(shí)水位值為0.16 m，未達(dá)到系統(tǒng)動(dòng)作值，繼電器線圈電壓約為0 V，繼電器不動(dòng)作；當(dāng)試驗(yàn)采集的水位頻率信號(hào)為775.19 Hz時(shí)，根據(jù)公式(1)計(jì)算得出實(shí)時(shí)水位值為0.68 m，達(dá)到系統(tǒng)動(dòng)作值，線圈電壓約為14.28 V，繼電器吸合。改變繼電器動(dòng)作值，對(duì)其他水位進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)表明當(dāng)達(dá)到水位動(dòng)作值時(shí)，繼電器能夠及時(shí)準(zhǔn)確地吸合。

圖8 CAN通訊流程圖

6 結(jié)語(yǔ)

基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動(dòng)排水系統(tǒng)是在實(shí)驗(yàn)室原有完成項(xiàng)目——礦井巷道水監(jiān)測(cè)、預(yù)警及自動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的改進(jìn)優(yōu)化，原系統(tǒng)已在山西晉煤集團(tuán)趙莊煤礦投入運(yùn)行，新系統(tǒng)的主分站一體化結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的分站組網(wǎng)主站集中監(jiān)控方式，具有有效避免各個(gè)分站到主站的布線、簡(jiǎn)化排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及節(jié)省煤礦開(kāi)支等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠，總監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置不受空間限制，提高了煤礦排水的智能化水平。煤礦井下特殊環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性、穩(wěn)定性和通訊的抗干擾能力都有新的要求，后期還要針對(duì)煤礦井下的實(shí)際情況對(duì)本系統(tǒng)做近一步的研究和完善。

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

ResearchanddesignofcoalmineautomaticdrainagesystemofmasterstationandsubstationintegrationbasedonCANbus

Ke Shuguo1, Zhang Hongjuan1, Jin Baoquan2, Gao Yan1, Xue Xuan2

(1.College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China; 2.Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System, Ministry of Education and Shanxi Province, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

TD67

A

山西省科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)項(xiàng)目(201605D121028)

柯書(shū)國(guó)，張紅娟，靳寶全等. 基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動(dòng)排水系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)煤炭，2017，43(9)：84-89. Ke Shuguo, Zhang Hongjuan, Jin Baoquan，et al. Research and design of coal mine automatic drainage system of master station and substation integration based on CAN bus [J].China Coal，2017，43(9)：84-89.

柯書(shū)國(guó)(1990-)，男，河南信陽(yáng)人，在讀研究生，主要研究方向?yàn)殡姎庵悄芸刂啤?/p>