基于 uCAN總線的礦山壓力監(jiān)測遠(yuǎn)程傳輸解決方案

付東波

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

基于 uCAN總線的礦山壓力監(jiān)測遠(yuǎn)程傳輸解決方案

付東波1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

針對煤礦礦山壓力監(jiān)測的環(huán)境參量的特點(diǎn)及監(jiān)測手段和方法不規(guī)范等現(xiàn)狀,在目前應(yīng)用較廣的 CAN總線的基礎(chǔ)上提出一種 uCAN總線,通過增強(qiáng) CAN總線硬件收發(fā)器的發(fā)送信號強(qiáng)度與降低通訊速率來改善 CAN總線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵸|(zhì)量,進(jìn)而提出礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)的解決方案。實(shí)際應(yīng)用表明,這種解決方案通訊距離長、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,是一種可選的礦山壓力監(jiān)測解決方案。

uCAN總線;礦山壓力;遠(yuǎn)程傳輸;監(jiān)測;現(xiàn)場總線

煤礦開采中,隨著采掘深度的不斷加大,礦山動力災(zāi)害的顯現(xiàn)愈加明顯,礦山壓力監(jiān)測作為保證安全生產(chǎn)和對動力災(zāi)害的常規(guī)監(jiān)測,越來越得到各大煤礦的重視,應(yīng)用越來越普遍。目前礦山壓力監(jiān)測的內(nèi)容包括：綜采工作面支架工作阻力監(jiān)測、圍巖頂板運(yùn)移監(jiān)測、錨桿錨索載荷監(jiān)測和煤巖體應(yīng)力監(jiān)測等。這樣的監(jiān)測多采用直接讀取傳感器數(shù)據(jù)或便攜式裝置讀取等離線方式。近幾年來,隨著科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步,礦山壓力監(jiān)測逐漸實(shí)現(xiàn)井下到地面的遠(yuǎn)程傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)測。礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦應(yīng)用較為成熟,但遠(yuǎn)程傳輸方式并不統(tǒng)一,如RS485總線、CAN總線、光纖以太環(huán)網(wǎng)等。本文提出一種適應(yīng)礦山壓力監(jiān)測特點(diǎn)的遠(yuǎn)程傳輸方案,基于 CAN總線理論,著重增強(qiáng)了 CAN總線的硬件收發(fā)能力并提出一套完整的通訊協(xié)議。由于方案僅應(yīng)用 CAN總線的物理層,應(yīng)用的通訊協(xié)議為自定義協(xié)議,則稱方案中的總線為 uCAN總線,稱系統(tǒng)為 uCAN總線系統(tǒng)。同時(shí),針對礦山壓力的數(shù)據(jù)特點(diǎn)開發(fā)相應(yīng)的軟件平臺,得到一套完整的礦山壓力監(jiān)測遠(yuǎn)程傳輸?shù)慕鉀Q方案。

1 uCAN總線的特點(diǎn)

CAN (ControllerArea Newwork控制器局域網(wǎng))總線的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式,已經(jīng)應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。其特點(diǎn)主要有：高總線利用率、高達(dá) 10km數(shù)據(jù)傳輸距離、高速數(shù)據(jù)傳輸速率、多主結(jié)構(gòu)依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問、可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制、通訊介質(zhì)支持雙絞線、同軸電纜或者光纖等。CAN總線在煤礦應(yīng)用越來越多,但煤礦井下條件復(fù)雜、巷道橫縱交錯(cuò)、工作面實(shí)時(shí)推進(jìn)、供電困難,給總線布置和傳輸帶來困難。從實(shí)現(xiàn)通訊功能上,CAN總線常常會在分支或分叉處難以保證通訊性能,依靠增加中繼器在有些礦井仍然難以實(shí)現(xiàn)良好的性能。

礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)有其不同于礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)。首先,在煤礦里,礦山壓力監(jiān)測與安全監(jiān)測由不同部門進(jìn)行管理,礦山壓力監(jiān)測常常在初采后進(jìn)行,那時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)開始運(yùn)行。重新布線或調(diào)整已有電纜較為困難;其次,礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的物理量,如煤巖體應(yīng)力、錨桿錨索載荷、頂板下沉等,多數(shù)是緩慢的連續(xù)變化的參量,對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高,但是一旦監(jiān)測結(jié)果報(bào)警,可能會發(fā)生嚴(yán)重的動力災(zāi)害,因此,必須實(shí)時(shí)監(jiān)測。針對以上 CAN總線和礦山壓力監(jiān)測的特點(diǎn),本文提出的遠(yuǎn)程傳輸?shù)牡V山壓力監(jiān)測解決方案有以下特點(diǎn)：

(1)uCAN總線收發(fā)器采用嵌入式模塊,獨(dú)立于采集數(shù)據(jù)電路板,有利于系統(tǒng)擴(kuò)展。而且總線與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)隔離供電保證了 uCAN總線的通訊安全。

(2)降低通訊速率為 2400bps或 1200bps,同時(shí)增強(qiáng)總線發(fā)射驅(qū)動能力,保證 10km以上數(shù)據(jù)傳輸距離。

(3)針對不同礦井,uCAN通訊線路的匹配電阻采用可調(diào)節(jié)方式,保證分支部分正常通訊。

(4)對傳輸電纜要求低,電話線、電纜線、雙絞線都能進(jìn)行傳輸。

2 硬件方案

礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)從功能上劃分可以分為多個(gè)監(jiān)測子系統(tǒng)：綜采工作面支架工作阻力監(jiān)測、圍巖頂板監(jiān)測、錨桿錨索載荷監(jiān)測和煤巖體應(yīng)力監(jiān)測等,各個(gè)監(jiān)測子系統(tǒng)采用不同的監(jiān)測設(shè)備。uCAN總線上共有 3種類型的設(shè)備：管理節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和中繼器。管理節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于系統(tǒng)通訊協(xié)議中的主機(jī),實(shí)際設(shè)備為地面工控機(jī)等。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于系統(tǒng)通訊協(xié)議中的從機(jī),實(shí)際設(shè)備包括支架壓力記錄儀、壓力監(jiān)測分站、位移監(jiān)測分站等連接在總線上的節(jié)點(diǎn)。管理節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通過系統(tǒng)通訊協(xié)議完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。中繼器的主要作用是延長系統(tǒng)的通訊距離。

一般來說,CAN總線在分支或分叉處要進(jìn)行特殊的處理,uCAN總線系統(tǒng)主要通過 2種方式解決,一是在監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和中繼器內(nèi)部嵌入 uCAN總線收發(fā)器,增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量;二是在中繼器中增加匹配電阻,延長總線分支部分的通訊距離。通常CAN總線的收發(fā)器由 CAN總線收發(fā)芯片 82C250和其外圍電路組成。uCAN總線收發(fā)器增加了發(fā)送信號鉗位電路和接收信號抑制電路,從而保證信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。

3 軟件方案

uCAN總線主要使用了一套自定義協(xié)議,版本為 uCAN1.0A協(xié)議,是 OSI模型第 7層上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議,主要用來在基于串行總線網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測分站 (或傳感器)與高端設(shè)備 (上位機(jī))之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。uCAN1.0A具有主/從通訊功能,是一個(gè)請求 /應(yīng)答協(xié)議。

uCAN1.0A使用幀通訊,幀結(jié)構(gòu)如表 1所示。

表1 uCAN1.0A幀結(jié)構(gòu)

幀的類型主要有命令幀、參數(shù)設(shè)置應(yīng)答幀、上傳數(shù)據(jù)應(yīng)答幀等。

命令幀為主機(jī)使用,主要傳遞通訊命令。命令幀結(jié)構(gòu)定義如表 2。

表2 命令幀結(jié)構(gòu)

參數(shù)設(shè)置應(yīng)答幀為從機(jī)使用,主要傳遞應(yīng)答數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)定義如表 3。

表3 參數(shù)設(shè)置應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)

上傳數(shù)據(jù)應(yīng)答幀為從機(jī)使用,應(yīng)答上傳數(shù)據(jù)命令,上傳從機(jī)保存采樣數(shù)據(jù)。上傳數(shù)據(jù)應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)定義如表 4。

表4 上傳數(shù)據(jù)應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)

其中,從機(jī)類型由系統(tǒng)中監(jiān)測分站類型決定,“1”為支架壓力記錄儀,“2”為壓力監(jiān)測分站,“4”為位移監(jiān)測分站。

通訊流程如下所示：

主機(jī)：0xaa 0xff從機(jī)號‘S’ 校驗(yàn)和 (TB8=1) 開始通訊

從機(jī)：(S M2∶1-0)

主機(jī)：0xaa 0xff從機(jī)號‘D’校驗(yàn)和 (TB8=0) 讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

從機(jī)：0xaa 0xff從機(jī)號 返回?cái)?shù)據(jù) 校驗(yàn)和(S M2=0) CCR I

主機(jī)：0xaa 0xff從機(jī)號‘A’校驗(yàn)和 (TB8=0) 讀取參數(shù)信息

從機(jī)：0xaa 0xff‘A’從機(jī)號 返回?cái)?shù)據(jù) 校驗(yàn)和 (S M2=0)

主機(jī)：0xaa 0xff從機(jī)號 ‘P’校驗(yàn)和儀器編號傳感器參數(shù) 校驗(yàn)和 2(TB8=0) 設(shè)定參數(shù)

從機(jī)：0xaa 0xff‘P’從機(jī)號 返回?cái)?shù)據(jù) ‘O’或 ‘E’或 ‘T’ 校驗(yàn)和 (S M2=0)

主機(jī)：0xaa 0xff從機(jī)號 ‘E’ 校驗(yàn)和(TB8=0) 結(jié)束通訊

從機(jī)：(S M2∶0-1)

4 應(yīng)用實(shí)例

基于 uCAN總線的礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場廣泛使用,并取得了良好的效果。

山西潞安集團(tuán)某礦安設(shè)的監(jiān)測系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測 2302工作面支架工作阻力和 1306工作面兩巷錨桿 (索)受力以及頂板離層量。

2302工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測共分為 8個(gè)測站,每個(gè)測站包括 2個(gè)測點(diǎn),共 16臺支架壓力記錄儀;將 1306工作面運(yùn)輸巷和軌道巷各分為19個(gè)頂板位移量觀測站,11個(gè)錨桿 (索)測力計(jì)觀測站,一般地段間距為 50m,地質(zhì)構(gòu)造地段測站適當(dāng)加密;系統(tǒng)中繼器放在 3號變電所內(nèi)。系統(tǒng)測站布置如圖 1所示。

根據(jù)大量的實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果可以得出：

(1)2302工作面周期來壓步距為 9～11m,平均為 10.4m;影響時(shí)間為 1～3d,平均 1.6d,動載系數(shù)為 1.27～1.88,平均 1.42。

(2)通過對 48臺錨桿測力計(jì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明,軌道巷錨桿受力的平均值為 55kN,運(yùn)輸巷錨桿受力平均值為44kN,監(jiān)測錨桿受力總體平均值為 50kN,其中受力小于 80kN的錨桿根數(shù)占監(jiān)測錨桿總數(shù)的 89.7%。

圖1 系統(tǒng)測站布置

(3)通過對 16臺錨索測力計(jì)監(jiān)測結(jié)果分析表明,軌道巷錨索受力的平均值為 70kN,運(yùn)輸巷錨索受力平均值為 32kN。監(jiān)測錨索受力總體平均值為 52kN,其中受力小于 100kN的錨索根數(shù)占監(jiān)測錨索總數(shù)的 85.7%。

其中,30號支架工作阻力實(shí)測曲線如圖 2,錨桿測力計(jì)及頂板位移數(shù)據(jù)如表 5及表 6。

圖2 30號架工作阻力

表5 錨桿受力

續(xù)表

表6 頂板位移實(shí)測值

5 結(jié)論

本文提出一種基于 uCAN總線的礦山壓力監(jiān)測遠(yuǎn)程傳輸解決方案。該方案在 CAN總線收發(fā)器硬件電路里增加發(fā)送信號鉗位和接收信號抑制電路,提高了通訊傳輸質(zhì)量,為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸提供了安全、可靠的物理層保證。而且方案提出一套適用于礦山監(jiān)測的通訊協(xié)議,為礦山監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)范化和數(shù)字化提供了必要的手段。針對礦山壓力監(jiān)測的特點(diǎn),礦山壓力監(jiān)測的物理量對傳輸速率要求不高,但對數(shù)據(jù)可靠性有較高要求,解決方案降低傳輸速率保證數(shù)據(jù)傳輸距離以提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性;礦山壓力監(jiān)測多數(shù)在工作面開采后安裝布置,分支分叉較多,解決方案中設(shè)計(jì)增加中繼器和設(shè)置可調(diào)匹配電阻保證數(shù)據(jù)通訊性能。根據(jù)大量的實(shí)際應(yīng)用表明,這種解決方案簡單易行、監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

[1]付東波,齊慶新,秦海濤,等.采動應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦開采,2009,14(6)：13-16.

[2]齊慶新,竇林名.沖擊礦壓理論與技術(shù) [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[3]孫繼平.礦井安全監(jiān)控系統(tǒng) [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2006.

Long-distance Transm ission Solution of Underground Pressure M on itoring Data Based on UCAN Bus

FU Dong-bo1,2
(1.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

A iming at environment parameter characteristic of underground pressure and lack of standardization in monitoringmethods,this paper presented an uCAN bus from popular CAN buswhich improved communication quality of long-distance trans mission of CAN bus by strengthening emit signal strength of CAN bus transceiver and reducing communication rate.It further presented solution of underground pressure monitoring system.Practical application showed that the solution was a selectable underground pressure monitoring method for its long-distance trans mission and accurate and reliable data.

uCAN bus;underground pressure;long-distance transmission;monitoring;fieldbus

TD326

A

1006-6225(2010)04-0121-04

2010-06-24

付東波 (1978-)女,黑龍江大慶人,工程師,主要從事礦山壓力監(jiān)測儀器及系統(tǒng)的研制和開發(fā)。

王興庫]