CAN總線下的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設計
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摘要：為了提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、可靠性，基于can總線技術設計了一種遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)分現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點和上位機兩部分?，F(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點以單片機dsPIC30F6012為核心，采用CH4、CO、溫濕度傳感器及開關量采集電路采集井下環(huán)境參數信息及設備開關狀態(tài)，通過CAN總線網絡和CAN總線適配卡PCI-9810實現(xiàn)現(xiàn)場節(jié)點與上位機之間的數據通信。系統(tǒng)設計簡單、易于實現(xiàn)，具有一定的工程應用價值。
關鍵詞：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)能夠對礦井下CH4、CO、溫度、通風、粉塵等環(huán)境參數及機電設備的開關狀態(tài)進行準確、實時的監(jiān)測和報警，減少事故的發(fā)生，對煤礦安全生產具有非常重要的意義。但是，煤礦井下環(huán)境十分惡劣，監(jiān)測數據量大，監(jiān)測點多且分散，采集的數據需要通過長距離通信線路上傳，易受干擾影響，對監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、實時性提出了嚴峻的考驗。CAN總線是一種應用于現(xiàn)場設備與控制室之間，支持分布式、實時控制的現(xiàn)場總線網絡；采用雙絞線傳輸、全分散、全數字化，抗干擾能力強，可構建多變量、多點檢測的通信系統(tǒng)；可靠性高、實時性好，傳輸速率高，最高可達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，本文設計了一種基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場智能節(jié)點以單片機dsPIC30F6012為檢測控制核心，檢測井下環(huán)境參數，并通過CAN總線實時、遠距離上傳至地面上位監(jiān)控主機進行數據分析，全面實現(xiàn)井下安全生產監(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)的總體結構如圖1所示,由現(xiàn)場檢測節(jié)點電路及測量傳感器、CAN總線網絡、CAN總線適配卡、上位機組成?，F(xiàn)場檢測節(jié)點收集有害氣體含量、溫度等礦用傳感器檢測的環(huán)境數據，進行分析處理并就地顯示及異常報警，同時通過CAN接口將數據實時發(fā)送到CAN總線上，也可通過CAN接口接收上位機下達的指令信息。CAN總線可掛接110個檢測節(jié)點，通過網橋方式可擴充節(jié)點數量，使監(jiān)控不留死角。上位PC機通過CAN適配卡獲取由CAN總線傳輸的井下監(jiān)測數據，并進行數據分析處理及存儲，形成各種報表、異常報警及控制指令的下達。
2系統(tǒng)硬件設計
（1）現(xiàn)場檢測節(jié)點設計現(xiàn)場檢測節(jié)點電路結構圖如圖2所示，節(jié)點以單片機dsPIC30F6012為核心，井下傳感器輸出的模擬信號送入dsPIC30F6012的片內A/D轉換器，單片機以此獲取井下環(huán)境參數信息，進行顯示及與設定的限值進行比較，對異常情況進行報警；由單片機片內CAN總線控制器及高速光耦6N137、CAN總線收發(fā)器TJA1050T構成CAN通信接口電路，用于數據的實時傳輸。此外，檢測節(jié)點還可對井下機電設備的開關狀態(tài)進行檢測，在緊急情況下由輸出控制電路通過接觸器關斷設備電源。（2）傳感器的選擇①CH4傳感器采用MC112催化型氣敏傳感器，其檢測電路如圖3所示，檢測元件D、補償元件C與電阻R1、R3、可變電阻R2構成電橋，在無CH4環(huán)境中通過調節(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，檢測部分阻值就會升高，使電橋失去平衡，且電橋輸出電壓與CH4濃度成比例關系。單片機dsPIC30F6012片內有16通道、12位的A/D轉換器，微弱的電橋輸出電壓信號經過儀表放大器AD623進行放大后，送入單片機A/D轉換器的ADC1管腳，單片機獲取與CH4濃度對應的數字量。②CO傳感器選用ZE07-CO型傳感器模組，采用電化學原理對環(huán)境中的CO進行探測，選擇性好且內置溫度補償電路使輸出穩(wěn)定性好。傳感器模組輸出0.4~2V電壓信號，與CO濃度0至滿量程成線性對應關系，輸出的模擬信號接入單片機dsPIC30F6012的片內A/D轉換器，單片機獲取與CO濃度對應的數字量。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，測溫范圍-40～123.8℃，濕度范圍0～100%RH。傳感器內部集成測溫、測濕元件及14位的A/D轉換器，直接輸出溫度、濕度的數字量，其二線數字串行接口SCK和DATA與單片機普通I/O口相連，單片機通過寫時序讀取輸出的數字量。（3）CAN總線接口電路CAN總線接口電路將現(xiàn)場檢測節(jié)點采集的數據信息發(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dsPIC30F6012內部集成了CAN總線控制器，支持CAN2.0協(xié)議，可編程比特率最高為1Mb/s，使接口電路設計簡化，單片機的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，其介于單片機與CAN總線收發(fā)器TJA1050T之間，以增強系統(tǒng)的抗干擾能力，實現(xiàn)總線上各監(jiān)測節(jié)點的電氣隔離，通過它將TJA1050T的RXD、TXD與集成的CAN總線控制器的C1RX、C1TX相連接，為實現(xiàn)真正的隔離，圖4中+5V和+5VB為隔離的兩套電源，+5VB可由+5V通過小功率電源隔離模塊B0505S-1W得到。TJA1050T實現(xiàn)總線報文的差動發(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。（4）開關量采集電路開關量采集電路如圖5所示，用于對井下設備的開停傳感器輸出信號進行檢測，并用光耦4N25進行隔離，輸出信號在輸入單片機之前還采用施密特非門74LS14進行波形整形，以增強系統(tǒng)的抗干擾能力。單片機dsPIC30F6012的RB口具有電平變化中斷功能，電路的輸出與RB口相連，一旦設備的開停狀態(tài)變化導致電路輸出電平變化，單片機通過中斷方式可及時獲取相關狀態(tài)信息。（5）報警及輸出控制電路報警及輸出控制電路如圖6所示，RE0、RE1、RE2為單片機普通I/O接口，采用驅動芯片ULN2003驅動發(fā)光二極管D4、繼電器線圈K1、蜂鳴器LS1。當D4有規(guī)律地閃爍時，表明采集的參數正常；當有數據超過設定的限值時驅動蜂鳴器報警；若發(fā)生緊急狀況，單片機通過ULN2003對繼電－接觸器進行操作，使危險設備斷電。（6）上位機硬件上位機硬件主要由工控機和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路經光電隔離的CAN接口，可以很方便地將工控機連接到CAN總線上，隔離電壓高達2500VDC，抗干擾能力強，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、力控等軟件下進行CAN-bus產品項目的開發(fā)。
3系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，主要包括單片機及外圍電路的初始化、CAN通信、現(xiàn)場數據采集處理等,主程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后首先進行單片機的初始化，包括I/O端口分配及配置、A/D轉換設置、中斷類型選擇及中斷屏蔽寄存器設置、片內CAN總線控制器設置、LCD顯示等外圍設備初始配置。緊接著由井下傳感器采集現(xiàn)場環(huán)境參數，單片機通過A/D轉換或數字接口獲取相關信息后，與系統(tǒng)設定的限值進行比較，將異常情況報警及上傳，引起操作人員注意?，F(xiàn)場檢測節(jié)點對數據的收發(fā)是通過單片機片內CAN模塊實現(xiàn)的。CAN總線模塊有3個接收緩沖區(qū)，其中1個緩沖區(qū)用于監(jiān)視總線是否有進入的報文，只有這些報文在滿足接收過濾器判據時才被傳送至另外2個緩沖區(qū)，報文接收成功則中斷標志位RXnIF置1，若中斷屏蔽位RXnIE為1，則產生1個中斷，單片機讀取報文數據。CAN模塊有3個發(fā)送緩沖區(qū)。每個緩沖區(qū)中要發(fā)送的報文占8個字節(jié)，擴展標識符和其他報文仲裁信息占5個字節(jié)，要發(fā)送報文必須將標志位TXREQ置1，當模塊檢測到總線可用時，就開始發(fā)送具有最高優(yōu)先級的報文。
4結語
本文對煤礦井下使用的安全監(jiān)控系統(tǒng)進行了設計，采用CAN總線技術，將井下采集的CO、CH4等有害氣體濃度、溫濕度及井下設備開停信息，通過CAN總線及時上傳，系統(tǒng)可以實現(xiàn)多點測量和多參數測量。CAN總線技術的應用提高了該系統(tǒng)的實時性、安全性和可靠性，具有一定的應用和推廣價值。
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作者：郭志成 郭寧 李曉青 單位：蘭州工業(yè)學院