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煤礦監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)成

整個(gè)礦井監(jiān)控系統(tǒng)是由地面監(jiān)控中心、井下監(jiān)控分站、受控設(shè)備以及通信介質(zhì)四部分構(gòu)成。井下每個(gè)監(jiān)控分站與受控設(shè)備之間通過CAN總線相連，并采用雙絞線傳輸介質(zhì)，負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)并傳送給地面監(jiān)控中心，同時(shí)接收來自控制中心的各種控制信號(hào)，必要時(shí)對(duì)聲光報(bào)警器、排水、通風(fēng)、機(jī)電等設(shè)備進(jìn)行控制。地面監(jiān)控中心由一臺(tái)監(jiān)控主機(jī)和一臺(tái)監(jiān)控備份機(jī)、本地服務(wù)器、打印機(jī)、中繼器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)控制計(jì)算機(jī)組成，主要負(fù)責(zé)接收、顯示、打印和存儲(chǔ)從井下分站傳來的各種環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要通過井下監(jiān)控分站向受控設(shè)備發(fā)送各種配置命令及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制命令。考慮到實(shí)時(shí)性及傳輸數(shù)據(jù)量大的需要，地面監(jiān)控中心與井下各監(jiān)控分站是通過光纖總線方式連接起來的。該連接部分及地面監(jiān)控中心采用工業(yè)以太網(wǎng)組建。

監(jiān)控分站的設(shè)計(jì)

監(jiān)控分站在整個(gè)系統(tǒng)中的地位舉足輕重，起到橋接can總線及工業(yè)以太網(wǎng)的作用。監(jiān)控分站一般有3種實(shí)現(xiàn)方案:微控制器+CAN控制器+CAN收發(fā)器;集成CAN控制器的微控制器+CAN收發(fā)器;CAN的串行I/O器件+CAN收發(fā)器。出于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的考慮，本系統(tǒng)中的井下監(jiān)控分站采用第一種實(shí)現(xiàn)方式。系統(tǒng)監(jiān)控分站的微控制器采用LPC2119和P87C591處理器共同完成分站的監(jiān)控任務(wù)。主CPU負(fù)責(zé)邏輯關(guān)系判別、報(bào)警閥值識(shí)別、遠(yuǎn)近程斷電控制、瓦斯預(yù)測(cè)、與地面工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通信等，從CPU負(fù)責(zé)接收來自CAN總線的信號(hào)采集數(shù)據(jù)、測(cè)值技術(shù)與換算、邏輯關(guān)系和數(shù)字顯示等任務(wù)，兩個(gè)CPU協(xié)調(diào)工作，大大提高了分站的監(jiān)控的效率，增強(qiáng)了分站的功能，同時(shí)還降低了以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。主微控制器LPC2119是PHILIPS公司的32位工業(yè)級(jí)ARM芯片，具有16KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和256KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，通過片內(nèi)PLL鎖相環(huán)可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率。4路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44us；2路CAN控制器、PWM通道、46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷管腳；具有多個(gè)32位定時(shí)器及多個(gè)串行接口和低功耗實(shí)時(shí)鐘；具有很高的性價(jià)比，價(jià)格適中，低功耗，開發(fā)資源豐富，有利于縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。從微控制器P89C669FA的51MX(存儲(chǔ)器擴(kuò)展)內(nèi)核是一種加速的80C51結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)80C51單片機(jī)的兩倍。51MX的線性地址可以擴(kuò)展為8M字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。51MX兼容80C51全部的程序代碼，可以繼續(xù)使用80C51的開發(fā)工具，同時(shí)51MX內(nèi)核與80C51完全兼容，可以繼續(xù)使用80C51接口的外圍電路。CAN接口的硬件電路主要由獨(dú)立CAN控制器SJA1000，CAN收發(fā)器TJA1050，高速光耦合隔離器6N137等四部分組成，SJA1000是Philips半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的獨(dú)立CAN控制器，在汽車及普通工業(yè)行業(yè)，用于替代PCA82C200CAN控制器(BasicCAN)，它增加了一種新的工作模式(PeliCAN)，該模式可支持CAN2.0B協(xié)議。TJA1050是Philips公司生產(chǎn)的高速CAN總線收發(fā)器。該器件是CAN控制器與物理總線之間的接口。TJA1050可以為CAN總線提供差動(dòng)發(fā)送和差動(dòng)接收功能。為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0、RX0與TJA1050的TXD、RXD之間通過光耦6N137相連，從而很好地實(shí)現(xiàn)了總線上節(jié)點(diǎn)間的電器隔離，降低了節(jié)點(diǎn)噪聲對(duì)總線的干擾。但應(yīng)該注意的是光藕部分電路所采用的兩個(gè)電源VCC和CVCC必須完全隔離,否則就失去了隔離的意義，電源隔離可以采用SR5S5/100模塊來實(shí)現(xiàn)。TJA1000的CANH、CANL引腳個(gè)連接了一個(gè)60Ω的電阻與CAN總線相連,電阻可以起到限流作用，保護(hù)TJA1000免受過流沖擊；在CANH、CANL與地之間并聯(lián)兩個(gè)33PF的小電容,可以濾除總線上的高頻干擾，增強(qiáng)防電磁輻射的能力。

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

按照遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件需要完成的任務(wù)，可將軟件劃分為六大功能模塊：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)功能。包括瓦斯?jié)舛取L(fēng)速、溫度、負(fù)壓、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、電壓、電流、功率、主扇、局扇、水泵、采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、皮帶機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、絞車等機(jī)電設(shè)備開停，以及風(fēng)門、電機(jī)車位置等；報(bào)警功能，超限或異常故障時(shí)，聲光報(bào)警；控制功能，控制機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)作；存貯、打印和查詢功能，可存貯、打印和查詢開關(guān)量、模擬量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)多任務(wù)操作功能。在不中斷正常數(shù)據(jù)采集的情況下通過計(jì)算機(jī)可以完成傳感器類型、測(cè)值、安裝地點(diǎn)的登記與修改；傳感器報(bào)警點(diǎn)的設(shè)置與修改；報(bào)表的設(shè)置與打印；系統(tǒng)自檢功能。通過各種狀態(tài)指示燈和自檢程序隨時(shí)進(jìn)行分析診斷，判斷故障原因。圖5所示為系統(tǒng)軟件功能框架。為了降低系統(tǒng)開發(fā)難度及成本，縮短開發(fā)周期，上位機(jī)(即監(jiān)控主機(jī))軟件可基于Windows操作系統(tǒng)，以NI公司出品的LabWindows圖形化開發(fā)工具為平臺(tái)，設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控軟件。井下監(jiān)控分站運(yùn)行RTLinux嵌入式操作系統(tǒng)，直接調(diào)用現(xiàn)有模塊開發(fā)所需的驅(qū)動(dòng)程序，CAN節(jié)點(diǎn)則可根據(jù)各自不同功能用嵌入式C語言或者匯編語言開發(fā)。

煤礦井下的環(huán)境是非常復(fù)雜和惡劣的，需要的工作設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備也非常多。井下檢測(cè)環(huán)境的主要特點(diǎn)有：環(huán)境異常惡劣。檢測(cè)對(duì)象種類繁多。測(cè)點(diǎn)分布廣，分布不均勻，從而使傳感器信號(hào)和各種檢測(cè)信號(hào)傳送變得復(fù)雜和困難。需要中央監(jiān)控室集中監(jiān)測(cè)。綜上，基于工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線相結(jié)合的煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)充分發(fā)揮了以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線各自的優(yōu)勢(shì)，具有結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、維護(hù)成本低、系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠較好的解決上述4點(diǎn)煤礦企業(yè)普遍存在的問題,為企業(yè)節(jié)省大量的投資及安全維護(hù)費(fèi)用，因此更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展前景。

本文作者：張廷榮作者單位：蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院