CAN總線下的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：為了提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性，基于can總線技術(shù)設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)分現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)兩部分。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)以單片機(jī)dsPIC30F6012為核心，采用CH4、CO、溫濕度傳感器及開關(guān)量采集電路采集井下環(huán)境參數(shù)信息及設(shè)備開關(guān)狀態(tài)，通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)和CAN總線適配卡PCI-9810實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：煤礦安全；CAN總線；dsPIC30F6012；監(jiān)控系統(tǒng)

引言

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)ΦV井下CH4、CO、溫度、通風(fēng)、粉塵等環(huán)境參數(shù)及機(jī)電設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和報(bào)警，減少事故的發(fā)生，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有非常重要的意義。但是，煤礦井下環(huán)境十分惡劣，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)多且分散，采集的數(shù)據(jù)需要通過(guò)長(zhǎng)距離通信線路上傳，易受干擾影響，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。CAN總線是一種應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室之間，支持分布式、實(shí)時(shí)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)；采用雙絞線傳輸、全分散、全數(shù)字化，抗干擾能力強(qiáng)，可構(gòu)建多變量、多點(diǎn)檢測(cè)的通信系統(tǒng)；可靠性高、實(shí)時(shí)性好，傳輸速率高，最高可達(dá)1Mb/s，最大傳輸距離為5km，完全滿足煤礦安全監(jiān)控的要求。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)以單片機(jī)dsPIC30F6012為檢測(cè)控制核心，檢測(cè)井下環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)CAN總線實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離上傳至地面上位監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，全面實(shí)現(xiàn)井下安全生產(chǎn)監(jiān)控。

1煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)概述

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)電路及測(cè)量傳感器、CAN總線網(wǎng)絡(luò)、CAN總線適配卡、上位機(jī)組成?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)收集有害氣體含量、溫度等礦用傳感器檢測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理并就地顯示及異常報(bào)警，同時(shí)通過(guò)CAN接口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到CAN總線上，也可通過(guò)CAN接口接收上位機(jī)下達(dá)的指令信息。CAN總線可掛接110個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)橋方式可擴(kuò)充節(jié)點(diǎn)數(shù)量，使監(jiān)控不留死角。上位PC機(jī)通過(guò)CAN適配卡獲取由CAN總線傳輸?shù)木卤O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理及存儲(chǔ)，形成各種報(bào)表、異常報(bào)警及控制指令的下達(dá)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，節(jié)點(diǎn)以單片機(jī)dsPIC30F6012為核心，井下傳感器輸出的模擬信號(hào)送入dsPIC30F6012的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)以此獲取井下環(huán)境參數(shù)信息，進(jìn)行顯示及與設(shè)定的限值進(jìn)行比較，對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警；由單片機(jī)片內(nèi)CAN總線控制器及高速光耦6N137、CAN總線收發(fā)器TJA1050T構(gòu)成CAN通信接口電路，用于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。此外，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)還可對(duì)井下機(jī)電設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，在緊急情況下由輸出控制電路通過(guò)接觸器關(guān)斷設(shè)備電源。（2）傳感器的選擇①CH4傳感器采用MC112催化型氣敏傳感器，其檢測(cè)電路如圖3所示，檢測(cè)元件D、補(bǔ)償元件C與電阻R1、R3、可變電阻R2構(gòu)成電橋，在無(wú)CH4環(huán)境中通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻R2的大小使電橋平衡、輸出歸零，一旦遇到CH4氣體，檢測(cè)部分阻值就會(huì)升高，使電橋失去平衡，且電橋輸出電壓與CH4濃度成比例關(guān)系。單片機(jī)dsPIC30F6012片內(nèi)有16通道、12位的A/D轉(zhuǎn)換器，微弱的電橋輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)儀表放大器AD623進(jìn)行放大后，送入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器的ADC1管腳，單片機(jī)獲取與CH4濃度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。②CO傳感器選用ZE07-CO型傳感器模組，采用電化學(xué)原理對(duì)環(huán)境中的CO進(jìn)行探測(cè)，選擇性好且內(nèi)置溫度補(bǔ)償電路使輸出穩(wěn)定性好。傳感器模組輸出0.4~2V電壓信號(hào)，與CO濃度0至滿量程成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸出的模擬信號(hào)接入單片機(jī)dsPIC30F6012的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)獲取與CO濃度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。③溫濕度傳感器選用溫濕度傳感器SHT11，其供電電壓為2.4～5.5V，測(cè)溫范圍-40～123.8℃，濕度范圍0～100%RH。傳感器內(nèi)部集成測(cè)溫、測(cè)濕元件及14位的A/D轉(zhuǎn)換器，直接輸出溫度、濕度的數(shù)字量，其二線數(shù)字串行接口SCK和DATA與單片機(jī)普通I/O口相連，單片機(jī)通過(guò)寫時(shí)序讀取輸出的數(shù)字量。（3）CAN總線接口電路CAN總線接口電路將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到CAN總線上傳輸，其一般包括CAN總線控制器、隔離光耦、CAN收發(fā)器。由于單片機(jī)dsPIC30F6012內(nèi)部集成了CAN總線控制器，支持CAN2.0協(xié)議，可編程比特率最高為1Mb/s，使接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，單片機(jī)的C1RX、C1TX為其CAN總線控制器管腳，具體電路如圖4所示。6N137為高速隔離光耦，其介于單片機(jī)與CAN總線收發(fā)器TJA1050T之間，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)總線上各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的電氣隔離，通過(guò)它將TJA1050T的RXD、TXD與集成的CAN總線控制器的C1RX、C1TX相連接，為實(shí)現(xiàn)真正的隔離，圖4中+5V和+5VB為隔離的兩套電源，+5VB可由+5V通過(guò)小功率電源隔離模塊B0505S-1W得到。TJA1050T實(shí)現(xiàn)總線報(bào)文的差動(dòng)發(fā)送與接收，是CAN總線控制器與物理總線之間的接口，PESD2CAN為防靜電二極管，用于CAN接口保護(hù)。（4）開關(guān)量采集電路開關(guān)量采集電路如圖5所示，用于對(duì)井下設(shè)備的開停傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并用光耦4N25進(jìn)行隔離，輸出信號(hào)在輸入單片機(jī)之前還采用施密特非門74LS14進(jìn)行波形整形，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。單片機(jī)dsPIC30F6012的RB口具有電平變化中斷功能，電路的輸出與RB口相連，一旦設(shè)備的開停狀態(tài)變化導(dǎo)致電路輸出電平變化，單片機(jī)通過(guò)中斷方式可及時(shí)獲取相關(guān)狀態(tài)信息。（5）報(bào)警及輸出控制電路報(bào)警及輸出控制電路如圖6所示，RE0、RE1、RE2為單片機(jī)普通I/O接口，采用驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管D4、繼電器線圈K1、蜂鳴器LS1。當(dāng)D4有規(guī)律地閃爍時(shí)，表明采集的參數(shù)正常；當(dāng)有數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的限值時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警；若發(fā)生緊急狀況，單片機(jī)通過(guò)ULN2003對(duì)繼電－接觸器進(jìn)行操作，使危險(xiǎn)設(shè)備斷電。（6）上位機(jī)硬件上位機(jī)硬件主要由工控機(jī)和CAN總線接口卡組成。CAN總線接口卡選用PCI-9810，支持CAN2.0A通信協(xié)議，兼容CAN2.0B，采用PCI接口，帶有4路經(jīng)光電隔離的CAN接口，可以很方便地將工控機(jī)連接到CAN總線上，隔離電壓高達(dá)2500VDC，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境中使用。支持Win2000/XP/Win7/Win8等操作系統(tǒng)，提供二次開發(fā)接口庫(kù)文件，能夠在常用組態(tài)環(huán)境昆侖通態(tài)MCGS、組態(tài)王KingView、力控等軟件下進(jìn)行CAN-bus產(chǎn)品項(xiàng)目的開發(fā)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括單片機(jī)及外圍電路的初始化、CAN通信、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理等,主程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行單片機(jī)的初始化，包括I/O端口分配及配置、A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置、中斷類型選擇及中斷屏蔽寄存器設(shè)置、片內(nèi)CAN總線控制器設(shè)置、LCD顯示等外圍設(shè)備初始配置。緊接著由井下傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)，單片機(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換或數(shù)字接口獲取相關(guān)信息后，與系統(tǒng)設(shè)定的限值進(jìn)行比較，將異常情況報(bào)警及上傳，引起操作人員注意?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的收發(fā)是通過(guò)單片機(jī)片內(nèi)CAN模塊實(shí)現(xiàn)的。CAN總線模塊有3個(gè)接收緩沖區(qū)，其中1個(gè)緩沖區(qū)用于監(jiān)視總線是否有進(jìn)入的報(bào)文，只有這些報(bào)文在滿足接收過(guò)濾器判據(jù)時(shí)才被傳送至另外2個(gè)緩沖區(qū)，報(bào)文接收成功則中斷標(biāo)志位RXnIF置1，若中斷屏蔽位RXnIE為1，則產(chǎn)生1個(gè)中斷，單片機(jī)讀取報(bào)文數(shù)據(jù)。CAN模塊有3個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)。每個(gè)緩沖區(qū)中要發(fā)送的報(bào)文占8個(gè)字節(jié)，擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符和其他報(bào)文仲裁信息占5個(gè)字節(jié)，要發(fā)送報(bào)文必須將標(biāo)志位TXREQ置1，當(dāng)模塊檢測(cè)到總線可用時(shí)，就開始發(fā)送具有最高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)煤礦井下使用的安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用CAN總線技術(shù)，將井下采集的CO、CH4等有害氣體濃度、溫濕度及井下設(shè)備開停信息，通過(guò)CAN總線及時(shí)上傳，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量和多參數(shù)測(cè)量。CAN總線技術(shù)的應(yīng)用提高了該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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作者：郭志成 郭寧 李曉青 單位：蘭州工業(yè)學(xué)院