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

        前言:想要寫出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了CAN總線下的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)范文,希望能給你帶來靈感和參考,敬請閱讀。

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

        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)場監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)兩部分。現(xiàn)場監(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CAN總線網(wǎng)絡(luò)和CAN總線適配卡PCI-9810實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場節(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)測和報(bào)警,減少事故的發(fā)生,對煤礦安全生產(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)測數(shù)據(jù)量大,監(jiān)測點(diǎn)多且分散,采集的數(shù)據(jù)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(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)場設(shè)備與控制室之間,支持分布式、實(shí)時(shí)控制的現(xiàn)場總線網(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)場智能節(jié)點(diǎn)以單片機(jī)dsPIC30F6012為檢測控制核心,檢測井下環(huán)境參數(shù),并通過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)場檢測節(jié)點(diǎn)電路及測量傳感器、CAN總線網(wǎng)絡(luò)、CAN總線適配卡、上位機(jī)組成。現(xiàn)場檢測節(jié)點(diǎn)收集有害氣體含量、溫度等礦用傳感器檢測的環(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CAN接口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到CAN總線上,也可通過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)檢測節(jié)點(diǎn),通過網(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CAN適配卡獲取由CAN總線傳輸?shù)木卤O(jiān)測數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理及存儲,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)場檢測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)現(xiàn)場檢測節(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,檢測節(jié)點(diǎn)還可對井下機(jī)電設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測,在緊急情況下由輸出控制電路通過接觸器關(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,其檢測電路如圖3所示,檢測元件D、補(bǔ)償元件C與電阻R1、R3、可變電阻R2構(gòu)成電橋,在無CH4環(huán)境中通過調(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(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經(jīng)過儀表放大器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)原理對環(huán)境中的CO進(jìn)行探測,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,與CO濃度0至滿量程成線性對應(yīng)關(guān)系,輸出的模擬信號接入單片機(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,測溫范圍-40~123.8℃,濕度范圍0~100%RH。傳感器內(nèi)部集成測溫、測濕元件及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)場檢測節(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)測節(jié)點(diǎn)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(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,用于對井下設(shè)備的開停傳感器輸出信號進(jìn)行檢測,并用光耦4N25進(jìn)行隔離,輸出信號在輸入單片機(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)動芯片ULN2003驅(qū)動發(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)超過設(shè)定的限值時(shí)驅(qū)動蜂鳴器報(bào)警;若發(fā)生緊急狀況,單片機(jī)通過ULN2003對繼電-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)場環(huán)境參數(shù),單片機(jī)通過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。現(xiàn)場檢測節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)的收發(fā)是通過單片機(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)模塊檢測到總線可用時(shí),就開始發(fā)送具有最高優(yōu)先級的報(bào)文。

        4結(jié)語

        本文對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CAN總線及時(shí)上傳,系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量和多參數(shù)測量。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

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