基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

田浩

摘 要：本文以CAN總線技術(shù)為工程背景，將無線傳輸技術(shù)引入礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程中，研制一套簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠的基于CAN總線技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。論文研究成果為礦井安全生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了一套切實(shí)可行的新的解決方案。

關(guān)鍵詞：CAN總線；礦井；環(huán)境監(jiān)測(cè)；無線傳輸

1 礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用現(xiàn)代控制理論，由設(shè)備層、控制層以及信息層3部分構(gòu)成，監(jiān)控主機(jī)與底層實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的互聯(lián)采用CAN總線，為擴(kuò)展礦用檢測(cè)儀表工作范圍，設(shè)備層在采用固定節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，還采用了具有無線數(shù)據(jù)傳輸功能的手持檢測(cè)儀表（移動(dòng)節(jié)點(diǎn)），使其實(shí)現(xiàn)即走即測(cè)，即測(cè)即發(fā)的功能，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)備層：處于最底層的信息處理單元，由監(jiān)測(cè)設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。各種底層的監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過本安型網(wǎng)絡(luò)智能分站或中繼器，實(shí)現(xiàn)各種CAN總線數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IP數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。本文中，主要檢測(cè)儀器為瓦斯?jié)舛群蜏貪穸葯z測(cè)模塊。其中，為了更準(zhǔn)確、更及時(shí)的檢測(cè)到瓦斯?jié)舛?、溫濕度等參?shù)，采用了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)兩種型式。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)綁定了無線收發(fā)模塊、瓦斯?jié)舛群蜏貪穸葯z測(cè)模塊，是具有無線收發(fā)功能的報(bào)警顯示裝置，可以由礦工隨身配帶，也可在指定位置安裝。固定節(jié)點(diǎn)也綁定了無線收發(fā)模塊、瓦斯?jié)舛群蜏貪穸葯z測(cè)模塊，它自身既可以測(cè)量周圍環(huán)境溫濕度和瓦斯?jié)舛?，又可以接收移?dòng)節(jié)點(diǎn)傳來的瓦斯?jié)舛取貪穸葦?shù)據(jù)及攜帶者的身份定位信息，通過CAN總線與地面監(jiān)測(cè)主機(jī)通信?？紤]到無線傳輸及區(qū)域切換的范圍，固定節(jié)點(diǎn)以相隔一定距離的方式安置于巷道兩幫，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與固定節(jié)點(diǎn)之間實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。風(fēng)機(jī)、水泵、采煤機(jī)、皮帶機(jī)的控制、礦壓監(jiān)測(cè)儀器等同樣也可以作為固定節(jié)點(diǎn)掛接在CAN總線上。

控制層：主要由CAN總線網(wǎng)絡(luò)及其網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備組成，負(fù)責(zé)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度、各控制站點(diǎn)間的信息聯(lián)系和數(shù)據(jù)處理，是整個(gè)礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心和聯(lián)系信息層和設(shè)備層的紐帶。

信息層：主要由地面控制主站組成，提供與低層設(shè)備的交互界面，通過上位機(jī)軟件、網(wǎng)絡(luò)中繼和CAN總線，訪問和控制井下檢測(cè)儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警、處理、分析、報(bào)表打印等。一方面支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，如瓦斯?jié)舛?、溫濕度等信?hào)的傳輸，真正實(shí)現(xiàn)礦井監(jiān)測(cè)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化；另一方面，也支持非實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸，例如監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)下載，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制程序上載等。

2 礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

從圖1中可看出，整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成：井上部分和井下部分。

井下部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，分為兩個(gè)部分：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)，二者共同組成井下“無線收發(fā)單元”。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以在工作人員移動(dòng)過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)值和自身的地址碼發(fā)送至固定節(jié)點(diǎn)。固定節(jié)點(diǎn)自身具有CAN總線數(shù)據(jù)接口，它每間隔特定距離安置在巷道兩幫，固定節(jié)點(diǎn)與地面監(jiān)控主機(jī)之間采用CAN總線通訊方式。井下無線收發(fā)單元中的移動(dòng)和固定節(jié)點(diǎn)相互之間是無線傳輸。無論是移動(dòng)還是固定，每個(gè)射頻模塊都有自己特殊的地址碼，與其它模塊均不相同。在與固定節(jié)點(diǎn)上的射頻模塊進(jìn)行通信時(shí)，數(shù)據(jù)幀里就包含這個(gè)特殊的地址碼，監(jiān)控主機(jī)的軟件平臺(tái)已經(jīng)將固定節(jié)點(diǎn)的位置信息進(jìn)行了登記和存儲(chǔ)。當(dāng)上傳的信息包含有與它們進(jìn)行無線通信的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的地址碼信息時(shí)，就表明佩帶和安裝該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的人員及設(shè)備很接近該固定節(jié)點(diǎn)，從而判斷出移動(dòng)人員的位置，這些位置信息均由系統(tǒng)存入數(shù)據(jù)庫。

井上部分主要是軟件操作平臺(tái)，按照功能劃分為2個(gè)子系統(tǒng)：實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件和信息管理軟件。實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件是整個(gè)礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，監(jiān)管主機(jī)的RS-232接口通過RS-232/CAN接口適配器與井下CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其功能主要為：完成監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的信息采集、實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)。從井下上傳的信息不但包括瓦斯?jié)舛?、溫度、濕度等?shù)據(jù)，還包括井下工作人員和設(shè)備的位置信息，這些龐大的數(shù)據(jù)量經(jīng)過壓縮后都被保存在數(shù)據(jù)庫中，是信息聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。管理軟件可采用Windows自帶的“超級(jí)終端”，主要功能是對(duì)移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)信息的錄入、修改、查詢和統(tǒng)計(jì)。

3 軟、硬件抗干擾措施

3.1 硬件抗干擾措施

（1）采用優(yōu)良的電源和接地系統(tǒng)。在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中采用良好的電源，從而減少了由電源引入的干擾。系統(tǒng)中的數(shù)字地和模擬地嚴(yán)格分開，避免了干擾由電源地侵入系統(tǒng)。

（2）光電耦合隔離。采用光電耦合隔離，可以切斷輸入輸出電路的電路聯(lián)系，從而有效地防止干擾從過程通道進(jìn)入系統(tǒng)，保證信號(hào)在總線中的無干擾傳輸。

3.2 軟件抗干擾措施

由于環(huán)境惡劣、現(xiàn)場(chǎng)被測(cè)量變化速度緩慢，所以常采用程序判斷濾波法，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行軟件抗干擾措施。

此外，當(dāng)控制系統(tǒng)存在輸入干擾，又不能用硬件加以有效抑制時(shí)，可用軟件重復(fù)檢測(cè)的方法，達(dá)到“去偽存真”的目的，直到連續(xù)2次或連續(xù)2次以上的采集結(jié)果完全一致時(shí)方為有效。若信號(hào)達(dá)到最高次數(shù)限額時(shí)，則可給出報(bào)警信號(hào)。

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