煤矿安全生产实时监控系统分站节点设计方案.pdf

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1、2006年9月 陕 西 理 工 学 院 学 报Sept.2006第22卷第3期 Journal of ShaanxiUniversity of TechnologyVol.22No.3文章编号1673-2944(2006)03-0071-05煤矿安全生产实时监控系统分站节点设计方案李军芳1,2,黄 健1(1.西安科技大学 通信与信息工程学院,陕西 西安 710054;2.陕西理工学院 电子与信息工程系,陕西 汉中 723003)摘 要 给出了适合煤矿安全生产实时监控系统的分站节点设计方案,并对其主要部分:功能设计、硬件电路设计及软件设计分别进行了介绍。结合对矿井现场数据的分析,详述了采用不同信

2、号类型的传感器对矿井现场数据安全采集的方法和软硬件双重滤波方法,简述了与控制中心进行通信的CAN协议。应用该方案构成的实时监控系统,可以增强数据的准确性和传输通道的稳定性,进一步保证了实时监控系统的可靠性。关 键 词 煤矿;安全生产;CAN网络;分站节点中图分类号TD76文献标识码A收稿日期:2006-05-17作者简介:李军芳(1977)女,陕西省澄城人,陕西理工学院助教,在读硕士生,主要研究方向为视频图像压缩算法。煤矿的安全生产对国民经济的发展有着重要的意义,它不仅关系着煤矿企业的兴衰,而且关系着社会的稳定和经济的长期发展。矿井检测监控系统是煤矿高产、高效、安全生产的重要保证,直接关系着矿

3、井的安全生产与矿工的人身安全。一个完整的监控系统包括监控中心、CAN控制网络和分站节点3部分。其中分站节点是煤矿监控系统中非常重要的部分,它负责现场数据的安全准确采集、上传信息、接收指令和执行现场控制的功能。本设计方案硬件电路采用51单片机进行控制,软件部分通过CAN协议与各个分站节点进行通信,进而实现监控中心与各分站的信息交流以及监控中心对各分站的管理和控制3,从而实现了实时监控的功能。煤矿安全生产实时监控系统的总体设计方案见文献8,本文主要是在总体设计方案的基础上,深入分析分站节点的设计细节。1 分站节点功能设计分站负责在井下采集各个传感器的数据,然后根据监控中心下发的控制限和报警限,实现

4、断电和报警功能。分站具有独立运行的特征,在断开与上位机通信的状态下,也能自动执行安全检测与控制。具体功能设计如下:1)分站提供标准的RS485接口,以满足与数字信号的连接。如智能传感器、核子秤、电力监测及其它子系统。2)分站可连续监测矿井的各种参数,如甲烷(瓦斯)、一氧化碳、风速、温度、负压(压差)、煤仓煤位、水仓水位、皮带开停、局扇(主扇)开停、风门开关等。3)分站系统能处理各种制式的传感器信号,主要包括频率型信号、电流型信号、电压型信号、触点型信号和智能型信号。不同的信号类型其指标不同。如频率型信号的信号范围是2001 000 Hz,电压型信号的信号范围是01 V和05 V两种,触点型信号

5、的状态是常开或常闭。分站能根据监测到的参数就地进行断电控制和发出声光报警信号。4)每个分站都单独设置自己的地址。当分站与监控中心通讯时,分站及时将监测到的各种参数、状态传送给地面监控中心。同时分站接受监控中心的控制,执行监控中心下发的各种控制命令。5)分站的显示窗口由4个数码管组成,第一位显示通道号,后三位显示数据及状态。显示窗口 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/可以动态地实时显示分站所连接的传感器的数据及状态。6)分站具有自动复位(复位电路)和手动复位

6、(复位按钮)功能。当分站发生意外死机时,分站输出复位信号使单片机复位。并且分站具有自诊断功能,可以固定诊断并显示该路的值或状态。7)分站中使用FLASH保存监控中心下发的初始化数据。即使分站与监控中心失去联系,分站仍能实现监测与监控功能,既能将监测到的数据保存又能根据测定值和状态值实现断电控制。8)每个分站至多可接入8个模拟量、8个数字量和8组控制信号(远动开关)。接入类型由监控中心通过组态软件定义。模拟量输入口可以连接频率型、电流型、电压型传感器和开关量传感器。9)分站的断电逻辑控制可以分为:监控中心手控:工作人员发送控制命令,分站执行断电控制。分站传感器自动控制:模拟量传感器检测到的信号值

7、超过设定的控制上限或下限时就执行断电控制,不受监控中心控制。控制上限和下限一般由用户根据实际需要,通过监控中心组态软件设定好后,初始化分站时发送到分站保存。本地分站控制与异地分站控制:断电器与传感器接在同一分站上执行的断电控制为本地控制;断电器与传感器接在不同分站上,断电控制由监控中心发指令执行为异地控制。开关量状态控制:两态或三态开关量传感器状态发生变化时执行断电控制。2 分站节点硬件电路设计依据分站节点的功能设计要求,本方案由主控板、采集板和键盘三部分完成分站硬件电路的设计,其硬件框图如图1所示。图1 分站硬件总体结构设计图2.1 主控板硬件电路的设计主控板主要由51单片机、CAN通信接口

8、电路、RS485接口电路、指示灯组、LED数码显示、Flash存储器、键盘接口电路、JTAG接口、模拟与数字采集通道接口和A/D转化电路组成。1)本设计方案的核心部分采用了DS80C320A和PSD934F2芯片。DS80C320A利用一个重新设计的,完全与8051相兼容指令系统,消除空时钟和存贮周期,从而使每条8051指令的执行速度在相同的晶振频率下比原来快1.53倍,可为用户提供16位微处理器 的 速 度;PSD934F2内 部 集 成 了64KE2ROM,256K Flash可做DS80C320A的程序存储器,并且支持JTAG接口,大大减少了布线空间。图2 频率信号采集原理图2)开关量信

9、号经滤波、稳压、光电隔离后送入51单片机I/O口。传感器信号(模拟量电压信号)经放大后转换成电压信号,通过一个I2C接口芯片AD7822转换成12位数字信号输出。该芯片价格比其它同精度的A/D转换芯片低,性价比高。3)考虑到51单片机要采集和处理多路信号,其中频率量的采集比较耗费CPU时间,为了减轻CPU的负荷,本方案使用了3个8253计数器完成频率量的采集。频率信号的采集原理如图2所示。先由单片机选通3个计数通道之一,再由被选通的8253执行频率信号的采集,采集完后自动把数据保持在数据线上,并置采集完毕标志,当单片机接收到采集完毕信号后再进行相应的处理。4)分站选择SJA1000芯片作为CA

10、N通信控制器芯片,部分电路原理图如图3所示。该接口电路27 陕 西 理 工 学 院 学 报 第22卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/选用6N137光电隔离器件和TJA1050高速CAN收发器,并使用BO505S作为DC-DC的转换器件,对6N137和TJA10500进行电源隔离,以增强CAN通信接口的抗干扰能力。图3SJA1000接口电路部分原理图2.2 采集板卡硬件电路的设计采集板卡的硬件电路设计考虑到A/D转换的精准度以及信号类型的转换,整个板卡的

11、电阻全部采用精密电阻,以增加电流信号转电压信号的精准度;把得到的电压信号输入到AD7822芯片,由软件对采集的数据进行分析处理。每个采集通道接入一个传感器单元,由于不同的传感器信号类型不同,所以每个通道设计相应的跳线开关,例如1是电流量,2是电压量,3是频率量,4是开关量等等;远动开关主要是断电逻辑的执行部分,它由8个固态继电器组成。2.3 键盘显示硬件电路的设计键盘的设计相对比较简单,本方案采用高性能的7290键盘显示芯片,以满足键盘显示硬件电路设计的要求。该芯片使用I2C接口与51单片机进行通信。接口电路只需3个I/O口,支持64个按键和8个数码显示单位。3 分站节点软件设计分站软件的设计

12、依据分站功能和硬件电路的设计。结合硬件电路设计的特点,通过软硬件结合实现各分站节点的功能,依次是分站的开机、分站与监控中心的通信、分站的数据采集、分站的键盘驱动和LED显示及分站的逻辑控制。3.1 分站开机启动流程分站首次开机后,首先初始化缓冲区和CAN网络接口,提示键盘设定该分站CAN网络I D号码。键盘设定了该地址后,将重新初始化CAN网络接口,并主动给上位机节点发送注册信息,等待监控中心软件下发设定参数(报警限,控制限,断电控制逻辑)。当监控中心软件下发设定参数后,分站接收参数并存入Flash,再次初始化,然后进入正常工作状态。分站在首次开机并接收了上位机下发的设定参数后,会永久保存在F

13、lash中,如果再次断电,那么开机后,则从Flash中读出以前存入的设定值进行初始化,首先显示分站I D号码,然后直接进入正常工作状态,显示通道号和信号类型,随后显示该通道的数值,同时进行报警和断电控制逻辑判定。3.2CAN节点通信协议指令分站节点位于矿井现场,分站与监控中心之间的通信必须经过CAN协议才能进行。协议的内容可以由设计人员根据实际情况自行定义4。但必须满足简单易懂,易操作,易修改,不易发生混淆的要求。本文简要列出了部分分站节点与监控中心进行通信的协议指令,如附表所示。由于篇幅所限,具体参数格式不再详细叙述。3.3 数据采集分站的数据采集主要分为数字量和模拟量两部分。其中模拟量的采

14、集比较麻烦,模拟量中频率信37第3期 李军芳,黄 健 煤矿安全生产实时监控系统分站节点设计方案 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/号的采集使用8253来处理,工作原理如图2所示。电流和电压信号需经A/D进行转换,但是由于不同的传感器量程不同,例如瓦斯传感器量程是0.00%4%范围的数据,风速传感器量程是0.315m/s范围的数据,导致单片机需要进行浮点运算,这样会大大降低单片机处理性能,对此本文采用了不同传感器对应不同放大系数的方法以避免使用浮点运算,如瓦

15、斯传感器的放大系数为10 000倍,风速传感器的放大系数为10倍,使用长整形数值运算以提高单片机运算效率。对于检测到的模拟量(电压)信号,系统通过AD7822转换成12位数字信号输出。但由于干扰使得AD7822测量结果有时会发生跳变,为此对AD7822输出的结果采用中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)进行滤波以去除热噪声和环境电磁干扰,保证数据的稳定性。这种滤波方法是每次采样15个值,然后去除其中最小的3个和最大的2个采样值,对其余10个值求平均作为测量结果,实践表明,这样得到的结果明显跳动幅度减小,更逼近实际值。附表 CAN分站节点通信协议部分指令指令说 明0 x00返回正确接收应答

16、的指令;0 x10上传16个整型值,检测到的16路实时数据;0 x20上位机控制下位机的8个继电器开关值,也可作为初始态继电器状态设置值(正常值);0 x21上位机请求下位机I D(CAN地址)及链路检测;或者分站主动上传I D注册信息;0 x30请求16个整型值(针对8路模拟通道),报警上下限,8个上限,8个下限;0 x40请求16个整型值(针对8路模拟通道),测量量程上下限,8个上限,8个下限;0 x50请求16个整型值(针对8路模拟通道),控制继电器动作值,8路个上限,8路下限;0 x60请求16个整型值(针对8路模拟通道),继电器自动动作门限,8个上限,8个下限;0 x70请求16个整

17、型值,16路通道信号类型;信号类型 无接入 4-20mA0-5mA0-1V0-5VF 三态 二态通道控制编号012345670 x80请求16个整型值(针对8路模拟通道),显示量程上下限,8个上限,8个下限;0 x90请求16个整型值(针对8路开关通道两态),控制继电器动作,0状态8个,1状态8个;0 xA0请求16个整型值(针对8路开关通道三态),控制继电器动作,0状态8个,1状态8个;0 xB0请求8个整型值(针对8路开关通道三态),控制继电器动作值,2状态8个;3.4 键盘驱动和LED显示实际电路中单片机从AD7822和8253得到的是频率采集值(常见的瓦斯传感器是2001 000 Hz

18、)或电流电压信号转换值。在LED数码显示部分,需根据信号值与量程值之间的线性对应关系,把信号值转换为量程值来显示,并计算出不同传感器的信号值对其量程值的步长。例如:量程为小0.00%4.0%,输出频率2001 000 Hz的瓦斯传感器,200 Hz信号值对应的量程值是0.00%,1 000 Hz信号值对应的量程值是4.00%,则步长为(1 000 Hz-200 Hz)/4.00%=2 Hz/0.01%;按一般瓦斯传感器的量程精度0.01%,该方法具有通用性。键盘和LED显示部分都采用了I2C接口的7290芯片,因此都可以使用标准的I2C驱动程序。3.5 分站断电逻辑控制分站在显示各个通道的采集

19、值的同时把采集到的每个数值与存入Flash的报警限和控制限进行比较。如果达到报警限,则声光报警;如果超过报警限,达到控制限,则自动根据控制规则启动远动开关(继电器)断开电源。当上位机下发断电命令时,分站立即根据命令参数执行断电动作。4 结论矿井现场各种信息的实时采集、传送与处理是煤矿安全检测系统要解决的关键技术之一。本方案通过模/数采集通道进行数据的安全采集;通过软硬件双重滤波,使检测数据准确可靠;通过CAN现场总线,保证了数据传输通道的高可靠性和稳定性。通过分站监控节点最终实现监测监控,即瓦电闭锁和风电闭锁。当监测到模拟量超限到某个值时要切断工作面电源实现断电控制,或监测到开关量风机停或风门

20、开时实现断电控制。目前,出现了不少新的测控技术,但要成功应用到煤矿安全监控系统中,还47 陕 西 理 工 学 院 学 报 第22卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/有待我们做进一步的研究。参 考 文 献 1 刘洪.煤矿安全监测技术M.北京:煤炭工业出版社,1993.2 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社,1996.3 周霞,魏臻,胡晓健.基于CAN总线的煤矿安全监控系统网络通信设计J.工矿自动化,2005,(6):394

21、1.4 蒋建文,林勇,韩江洪.CAN总线通信协议的分析和实现J.计算机工程,2002,(2):219210.5 郭继坤,将家正.矿井下CAN总线节点地址的设计J.黑龙江科技学院学报,2004,(2):117120.6 黄庆东,黄健.煤矿安全监控系统的研究J.西安科技大学学报,2005,(增刊):189191.7 马忠梅,籍顺心,张凯,等.单片机的C语言应用程序设计M.北京:北京航空航天大学出版社,2003.8 黄健,李军芳,黄庆东.煤矿安全生产实时监控系统的设计方案J.陕西理工学院学报,2006,22(2),2730.Design scheme for real2time monitoring

22、 systemof substation node of safety productin in coalmineL IJun2fang1,2,HUANG Jian1(1.School of Communication&Information,Xian University of Science&Technology,Xian 710054,China;2.Department of Electronic and Information Engineering,ShaanxiUniversity of Technology,Hanzhong 723003,China)Abstract:The

23、paper shows a design scheme for real2time monitoring system of substation node of safe2ty production in coalmine and presents itsmain parts:function design,hardware circuit design,and softwaredesign.Combining an analysis of the coalmine fiddle data,the method that is using different signal sensorsto

24、 do with the safety acquisition of coalmine field data and the software and the hardware filter is expatiated on.CAN protocol that correspondswith control center is described simply.The system can enhance the data ve2racity and the transport channel stability,and ensure its reliability.Key words:coa

25、lmine;safety production;CAN network;substation node(上接第49页)3 席平原.应用MATLAB工具箱实现机械优化设计J.机械设计与研究,2003,(6):4042.4 成大先,王德夫,姜勇.机械设计手册:第三卷M.北京:化学工业出版社,1997.V2belt transmission optimized design based onMATLABSUN Fu(Dept.ofM.E.,ShaanxiUniversity of Technology,Hanzhong 723003,China)Abstract:In view of the com

26、plexity of the using such languages asC language in mechanical design,itis suggested to useMATLAB to solve all kinds of single objective optimization and multi2goal optimization inthispaper.And the example of usingV2beltoptimized design is given to show the whole process and its validi2ty has been proved.Key words:MATLAB;V2belt transmission;optimization design57第3期 李军芳,黄 健 煤矿安全生产实时监控系统分站节点设计方案 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/