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1、基于CAN总线的井下多参数监控系统的设计摘要：煤矿井下作业远离地面, 地形复杂、环境恶劣、与地面人员间沟通不便。近年来, 煤矿发生事故的数量在不断增加, 如何加强安全生产, 提高监测监控能力,处理好安全与产量的关系, 如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测监控职能, 有效进行矿工管理, 安全高效运作, 显得尤为重要和紧迫。因此，研制一种性能可靠、成本低的煤矿井下多参数智能监测系统非常必要。监测井下生产状况参数包括监测矿井空气中有害或危险成分、矿井空气物理状态、通风设备运行状态以及其他参数。一般监测对象包括瓦斯、风速、负压、温度、液位等。井下生产状况参数监测的工作环境恶劣、监测点分散、监测种类多、
2、测点数量大、通信距离远，并且对实时性和可靠性要求极高。本论文的实现采用当前流行的虚拟仪器技术实现上位机交互，并利用单片机成本低、集成度高、易于相互及与计算机通信等特点，开发了一种新型的井下多参数智能监测系统。关键词：井下多参数、监控系统、CAN总线、煤矿安全、智能监测1、课题的背景与意义煤矿生产是与国计民生密切相关的一个领域，其中，煤矿安全是煤矿生产的前提。煤矿安全问题不仅影响到社会经济，更关系到每个矿业人员的生命安全。 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，2007年全国原煤产量达2523亿吨，比上年增长99，比年2002增长783，5年内净增1108亿吨，这在中国和世界煤炭工业史上都是空前
3、的，煤炭作为主要能源的格局在今后50年内不会改变。但长期以来，煤矿安全状况一直是制约煤炭工业发展的重要因素。特别是进入上世纪90年代以来，世界主要采煤国家的煤矿安全状况己得到根本好转，尤其是美国和澳大利亚煤炭工业事故伤亡率己低于其他工业行业，成为最安全的行业。相比较而言，我国煤矿总体安全水平不仅远落后于工业发达国家，且落后于不少发展中国家。据统计资料，2002年，美国煤矿产商品煤1368亿吨，事故死亡人数为36人；而我国产煤1415亿吨，事故死亡人数高达6597人，是美国的183倍。到2007年，中国煤产量占世界的39，而煤矿事故死亡人数占世界的80以上，煤矿事故死亡率为美国的114倍。从总体
4、上看，我国煤矿事故仍然较多，个别地区重、特大事故时有发生，煤矿安全生产隐患依然存在。除去人为因素，分析我国煤矿事故频发的客观原因，主要存在以下三点：1）煤层赋存条件差，瓦斯灾害严重。开采强度的不断增强，煤与瓦斯突出的危险性也在不断增加，突出危险区域也在不断扩大。2）地下水防治难度增大。近年来，随着煤矿开发生产的深度不断加大，水害产生的条件、水害威胁的程度以及水害形成的机理都在发生着较大的变化，对分析并下突水的水源、导水通道和补给强度造成很大困难，从而增加了水害治理的难度。3）采、掘、机、运、通各大系统新技术与新设备开发相对滞后。大多数新技术与新设备处在摸索阶段，尚不成熟、不稳定。特别是井下设备
5、监控系统的发展更是缓慢，无法适应越来越复杂的开采环境。本课题的任务就是实现对井下多参数控制系统的设计。监测井下生产状况参数包括监测矿井空气中有害或危险成分、矿井空气物理状态、通风设备运行状态以及其他参数，它为采煤作业提供安全的计术分析与参数。2、系统总体设计根据设计要求，经过分析设计，井下多参数智能监控系统由监测分站系统、CAN总线通信系统、上位人机交互(监控计算机)以及煤矿安全专家系统(数据库查询服务器)组成。其系统结构图如图1所示。2.1 监测分站系统监测分站系统采用高性能ATmega48单片机作为主控器件，外接多个瓦斯、位移、压力等传感器，经过外部模拟电路，送人单片机内置高精度AD转换器
6、，实现多路模拟量的实时采集，并通过CAN总线通信系统实现与上位人机交互的数据交换。另外，监控分机还可实现瓦斯、压力等参数超标时的井下声光报警，并根据上位人机交互命令进行相应的控制操作，有效避免事故的发生。矿井监控系统，是应煤矿生产自动化和管理现代化的要求，为确保安全、高效生产，在便携式检测仪器、半固定式、固定式检测装置的基础上，应用遥测、遥控技术、监视及计算机的开发而发展起来的多种现代化技术装置组成的系统。对煤矿井上井下的有关气体、环境及有关生产环节的机电设备运行状态等进行检测、监视，用计算机对采集的数据进行分析处理，对设备局部生产环境或过程进行控制的一种安全管理系统。矿井监测监控系统不同于一
7、般工业监控系统与之相比有以下特点:1）电气防爆。系统在有瓦斯与煤尘环境的矿井下，其设备必须是防爆型。2）传输距离远。系统的传输距离至少要达10km。3）网络结构宜采用树形结构。由于巷道为分支结构，且分支长度可达数千米。为便于系统安装维护，节约传输电缆，降低成本，宜采用树形结构。4）监测对象变化缓慢。监控对象为缓慢量，系统对传输速率要求不高。5）电网电压波动大。大型设备启动，影响电网电压。6）工作环境恶劣。潮湿、粉尘、瓦斯。7）传感器宜采用远程供电。不宜采用中间继电器。延长系统传输时间；有源设备，故障率高。因此，矿井监控系统除应能满足矿井信息传输要求外，还应满足下列要求：1）系统应具有模拟量、开
8、关量和累计量监测功能。2）系统应具有声光报警、模拟量和开关量手动与自动控制功能。3）系统应具有备用电源，当电网停电后，系统应能对主要监控量连续监控、继续监控时间应不小于2小时。4）系统应具有自检功能。当系统中传感器、分站、传输电缆等设备发生故障时，报警并记录故障时间、故障设备、以供查询及打印。5）系统应双机备份，并具有手动切换功能（自动切换功能可选）。当工作主机发生故障时，备份主机投入工作，保证系统的正常工作。6）系统应具有实时存盘功能，其存盘内容包括甲烷、风速、负压、一氧化碳等重要测点模拟量的实时监测值；模拟量统计值(最大值、平均值、最小值)；报警及解除报警时间及状态；断电复电时间及状态；断
9、电复电逻辑关系不符报警时间及状态；设备开停时间及状态；累计量值；设备故障恢复正常工作时间及状态等。在这些存盘项目中，除重要监测模拟量的实时监测值存盘记录应保持24小时外，其余均应保存3个月以上，并且当系统发生故障时，丢失上述信息的时间长度应不大于10分钟。7）系统应具有列表显示功能。模拟量及相关显示内容包括地址、单位、报警门限、控制门限、监测值、最大值、最小值、平均值、传感器故障、闭锁与解锁等。开关量显示内容包括地点、名称、单位、累计值等。8）系统应具有模拟量实时曲线和历史曲线显示功能。在同一坐标上用不同颜色显示最大值、平均值、最小值3种曲线。在一屏上，同时显示不小于3种模拟量，并设有标尺，可
10、显示对应时间标尺的模拟量值。9）系统应具有柱状图显示功能，以便直观地反应设备开机率。显示内容包括地点、名称、最后一次开/停时刻和状态、工作时间、开机率、开/停次数、传感器状态、闭锁与解锁等，并设时间标尺。10）系统应具有模拟动画显示功能，以便形象、直观、全面地反应安全生产状况。显示内容包括工程流程模拟图、相应设备开停状态、相应模拟量数值等。为满足大型复杂生产系统的需要，应具有漫游、总图加放大、分页显示等功能。为了使用模拟图，除具有一幅显示全矿概况的总图外，一般按使用功能划分多个系统图，例如，通风安全系统模拟图、轨道运输系统模拟图、胶带运输系统模拟图、提升运输系统模拟图、供电系统模拟图、排水系统
11、模拟图、巷道布置图、避灾路线图等。11）系统应具有设备布置图显示功能，以便及时了解系统配置、运行状况、便于管理与维修。显示内容包括传感器、执行机构、分站、电源箱、主站和电缆等设备的设备名称、位置和运行状态等。若系统庞大一屏容纳不了，可漫游、分页或总图加局部放大。12）系统应具有报表、曲线、柱状图、模拟图、初始化参数等召唤打印功能（定时打印功能可选），以便于报表分析。13）系统应具有人机对话功能，以便于系统生成、参数修改、功能调用、控制命令输入。14）系统应具有防雷措施，防止雷电击毁设备，引起井下瓦斯事故。15）系统应具有抗干扰措施，防止架线电机车火花、大型机电设备启停等电磁干扰影响系统正常工作
12、。16）系统分站应具有初始化参数掉电保护功能，以防分站停电后，初始化参数丢失。17）系统宜具有工业电视图象等多媒体功能，以便提高信息的利用率。18）系统宜具有网络通信功能，以便矿领导及上级主管部门对监控信息的利用。19）地面设备应具有防静电措施。20）系统应工作稳定，性能可靠，出厂前要进行连续7天的稳定性试验，系统软件死机率应小于1次/720小时。21）系统应整幅实时数据画面的响应时间应小于5秒。22）电源波动适应范围：（地面）90-110% （井下）75-110%。信息传输要求是矿井安全监控系统硬件通用、软件兼容、信道共享、信息共享的基础，对促进矿井安全监控产品标准化、提高产品质量具有重要作
13、用：1)传输介质。矿井监测监控系统的传输介质可以是电缆、光缆等传输介质。2)网络结构。为便于系统安装维护、节约传输电缆、降低系统成本，宜采用树形网络结构也可采用环形、总线形、星形或其他网络结构。3)工作方式。矿井监测监控系统宜采用多主或无主工作方式也可采用主从等其他工作方式。4)连接方式。为满足环境安全、轨道运输、胶带运输等就地监控的需要，可单层连接又可多层连接。5)传输方向。单向传输仅适用于监测系统，全双工传输适用于传输通道较多、信号带宽要求较大及远程遥控等场合。6)最大巡检周期。为保证实时性需对最大传输容量下的巡检周期做规定。7)最大节点容量。译码能力一般与地址场的字长有关，物理层是决定节
14、点容量的关键因素。此外，还应对信号、同步方式、调制方式、字符、帧格式、输入输出方式、传输速率、误码率、传输处理误差、最大传输距离、最大节点容量等进行规定。总之，尽管我国煤炭企业数量多、分布广、规模多样，开发出一种适合于各种条件的通用的矿井安全监控系统较难。但是，随着传感器技术、电子技术、计算机技术和信息传输技术的发展，煤炭行业内外科技人员经过不懈努力，将开发研制出满足大、中、小煤矿不同层次需求的矿井监测监控系统。2.2 CAN总线通信系统控制器局部网（CANCONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等
15、优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将 5C技术-COMPUTER（计算机技术）、CONTROL（自动控制技术）、COMMUNICATION（通信技术）、CRT（显示技术
16、）和 CHANGE（转换技术）紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网 CAN（CONTROL
