CAN總線在采礦塌陷區(qū)大型廠房監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

丁愛華

(唐山學(xué)院信息工程系，河北 唐山 063000)

CAN總線在采礦塌陷區(qū)大型廠房監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

丁愛華

(唐山學(xué)院信息工程系，河北 唐山 063000)

針對(duì)采礦塌陷區(qū)上建現(xiàn)代大型單層廠房、溫室急需進(jìn)行監(jiān)測的要求，采用基于CAN總線技術(shù)的檢測系統(tǒng)方案，通過單片機(jī)系統(tǒng)完成沉降數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。同時(shí)采用CAN總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠的傳輸。再將數(shù)據(jù)直接傳給計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)集中分析處理。通過VB制作的監(jiān)控管理軟件，實(shí)現(xiàn)溫度的查詢與實(shí)時(shí)顯示。以唐山馬家溝礦區(qū)波及區(qū)上建設(shè)的鳳凰花卉溫室大棚為對(duì)象進(jìn)行的監(jiān)測試驗(yàn)表明，該地區(qū)塌陷明顯，7個(gè)月的沉陷達(dá)到了幾十毫米，最大點(diǎn)可以達(dá)到83 mm。本系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)的檢測方式，節(jié)省了人力物力，并可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可靠的檢測。

CAN總線 采礦塌陷區(qū) 沉降監(jiān)測 VB

隨著采礦廢棄地、塌陷區(qū)利用越來越多，對(duì)這些不穩(wěn)定地基進(jìn)行大型廠房、溫室的安全運(yùn)營引起了各方的關(guān)注。結(jié)合采礦塌陷區(qū)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集和記錄不及時(shí)、自動(dòng)化程度低、工作效率低等問題，設(shè)計(jì)能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中運(yùn)行性能可靠、價(jià)格低廉的監(jiān)測系統(tǒng)變得越來越重要。由于廠房地基不穩(wěn)定，地表沉降現(xiàn)象變化緩慢，因此，需要對(duì)其微小變形量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并建立統(tǒng)計(jì)分析模型，建立預(yù)警系統(tǒng)。另外，由于廠房占地面積較大，不僅僅要考慮沉降數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，還應(yīng)該進(jìn)行多點(diǎn)測量?，F(xiàn)場總線技術(shù)集合了計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)和控制技術(shù)，把集散控制系統(tǒng)中由單、多回路調(diào)節(jié)器構(gòu)成的控制系統(tǒng)，由現(xiàn)場儀表來承擔(dān)，改變了控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

控制器局部網(wǎng)CAN(Controller Area Network)是串行通信網(wǎng)絡(luò)，支持分布式、實(shí)時(shí)控制。應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)，具有優(yōu)先權(quán)和仲裁能力，可以將多個(gè)檢測、控制模塊通過CAN控制器接到CAN總線上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)，比普通的通信技術(shù)，具有更高的可靠性和實(shí)時(shí)性。本設(shè)計(jì)基于CAN總線技術(shù)，不僅能準(zhǔn)確顯示各監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)沉降數(shù)據(jù)，而且能夠起到預(yù)警作用。同時(shí)，通過分析數(shù)據(jù)，建立沉降采集數(shù)據(jù)模型，為安全生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

沉降監(jiān)測系統(tǒng)包括沉降檢測和沉降自動(dòng)化報(bào)警2個(gè)子系統(tǒng)，利用位移傳感器進(jìn)行沉降信息的檢測，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠房環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測和報(bào)警。本系統(tǒng)是一個(gè)智能型的沉降監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由上位管理機(jī)、CAN總線適配器以及多個(gè)智能節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)數(shù)量根據(jù)廠房監(jiān)控的規(guī)模增加，采用CAN總線作為通信網(wǎng)絡(luò)，采用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，將各節(jié)點(diǎn)連接成一個(gè)分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)框架如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

CAN總線模塊采用STC89C52作為微處理器，在CAN總線通信接口中采用了PHILIPS公司的SJA1000和PCA82C250芯片，SJA1000是一種獨(dú)立CAN通信控制器，82C250為高性能CAN總線收發(fā)器。

整個(gè)系統(tǒng)主要是由智能沉降值采集節(jié)點(diǎn)和上位管理機(jī)3部分所構(gòu)成。智能節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)多點(diǎn)垂直位移數(shù)據(jù)的采集，依靠CAN總線完成節(jié)點(diǎn)和上位管理機(jī)的通信。監(jiān)控管理機(jī)主要完成CAN總線網(wǎng)絡(luò)與PC機(jī)之間的通信功能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)智能節(jié)點(diǎn)的控制和監(jiān)控結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示，由CAN總線控制器和CAN總線收發(fā)器來完成。

2 CAN智能節(jié)點(diǎn)模塊硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的智能節(jié)點(diǎn)模塊硬件總體框圖如圖2所示。

圖2 智能節(jié)點(diǎn)模塊硬件總體框圖

系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化的方法進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，按功能劃分成幾個(gè)子模塊。主要包括位移采集模塊，主要負(fù)責(zé)緩變位移數(shù)據(jù)的采集；CAN總線通信模塊，主要負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)和總線中其他節(jié)點(diǎn)之間的雙向通信，包括CAN總線控制器和總線收發(fā)器；系統(tǒng)電源模塊，負(fù)責(zé)提供+5 V電源電壓；顯示模塊和報(bào)警模塊，負(fù)責(zé)由節(jié)點(diǎn)獲得的位移信息轉(zhuǎn)換為沉降數(shù)據(jù)的顯示和報(bào)警功能。智能節(jié)點(diǎn)最終實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并完成沉降值的實(shí)時(shí)顯示。采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過總線向監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行傳輸，由人機(jī)交互模塊，提供操作人員和底層節(jié)點(diǎn)之間的信息交互，最后將測得的結(jié)果發(fā)送到監(jiān)控管理界面顯示出來。

2.1 位移采集模塊

為了獲得沉降值，采用位移傳感器進(jìn)行垂直位移的檢測，在此選擇靜力水準(zhǔn)儀(圖3)作為垂直沉降的傳感器，它由一系列液位傳感器和儲(chǔ)液罐組成，儲(chǔ)液罐之間由連通管連通，用于塌陷區(qū)多個(gè)被測點(diǎn)的沉降變形監(jiān)測。

圖3 靜力水準(zhǔn)儀

監(jiān)測時(shí)，基準(zhǔn)罐置于一個(gè)穩(wěn)定的水平基點(diǎn)，其他儲(chǔ)液罐置于標(biāo)高大致相同的不同位置，當(dāng)各儲(chǔ)液罐相對(duì)于基準(zhǔn)罐發(fā)生升降時(shí)，將引起該罐內(nèi)液面的上升或下降。因此，通過測量液位的變化情況，可以測量出各被測點(diǎn)相對(duì)水平基點(diǎn)的升降變形。

2.2 CAN通信模塊設(shè)計(jì)

基于目前市場上的開發(fā)工具的實(shí)際需要，選擇SJA1000作為CAN控制器，并使用CAN控制器接口芯片PCA82C250。

PCA2C250為CAN總線收發(fā)器，是CAN控制器和物理總線間的接口，提供對(duì)總線的驅(qū)動(dòng)發(fā)送能力、對(duì)CAN控制器的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力。

2.3 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中使用STC89C52單片機(jī)串行通信端口和1個(gè)簡單的接口功能，選擇RS-232為CAN總線連接上位機(jī)的連接方式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)管理機(jī)軟件設(shè)計(jì)2部分。其中，上位機(jī)由Visual Basic可視化的程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)監(jiān)控管理界面。

3.1 CAN通信軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 SJAl000數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計(jì)

報(bào)文的發(fā)送由CAN控制器通過CAN協(xié)議規(guī)范自動(dòng)完成。發(fā)送時(shí)，首先把CPU將要發(fā)送的報(bào)文傳送給發(fā)送緩沖器中，并且置位命令寄存器中的發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志位。其發(fā)送流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

3.1.2 SJAl000接收數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)

接收數(shù)據(jù)流程圖如圖5所示。如果接收緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)志為滿，則說明已經(jīng)接收1個(gè)或多個(gè)報(bào)文。此時(shí)CPU將從CAN控制器讀取出第1個(gè)報(bào)文，并且置位命令寄存器釋放接收緩沖區(qū)的標(biāo)志。

圖5 數(shù)據(jù)接收流程

3.2 上位管理機(jī)界面的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)通信的程序，設(shè)計(jì)上位管理機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

4 數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，項(xiàng)目組在唐山馬家溝礦區(qū)波及區(qū)上建設(shè)的鳳凰花卉溫室大棚進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)?；鶞?zhǔn)罐上設(shè)置GPS接收裝置，以便確定基準(zhǔn)罐基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。通過在300 m×110 m的花卉交易大廳4個(gè)大棚角點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測裝置，利用2014年1—7月實(shí)時(shí)監(jiān)測，以驗(yàn)證該溫室大棚在塌陷波及區(qū)上的穩(wěn)定性。

圖6 監(jiān)控管理軟件框圖

通過截取記錄3點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并加以分析，如圖7所示。該采煤塌陷波及區(qū)雖然采深大，距離采中線距離較遠(yuǎn)，但是監(jiān)測數(shù)據(jù)依然顯示塌陷明顯，7個(gè)月的沉陷達(dá)到了幾十毫米，最大點(diǎn)可以達(dá)到83 mm。但是從整體數(shù)據(jù)上看該區(qū)域沉陷較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

圖7 廠房地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

從采礦塌陷區(qū)上建大型廠房、溫室中穩(wěn)定性、監(jiān)測的理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)出發(fā)，對(duì)基于CAN總線技術(shù)的監(jiān)視系統(tǒng)展開分析與研究，并結(jié)合項(xiàng)目在唐山市馬家溝煤礦采煤塌陷波及區(qū)上建設(shè)的鳳凰花卉大型生態(tài)溫室進(jìn)行了應(yīng)用，效果良好。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Application of CAN bus in Large Plant Monitoring System in Mining Subsidence Area

Ding Aihua

(DepartmentofInformationEngineering，TangshanCollege，Tangshan063000，China)

According to the monitoring requirements of building modern large-scale monolayer workshop and greenhouse in the mining subsidence area，the detection scheme based on CAN technology is adopted to realize the design of intelligent node，through the MCU system to complete settlement data collection.At the same time，the real-time and reliable data transmission is realized by the technology of CAN bus.Then the data is directly transmitted to the computer for data analysis and processing.The monitoring and management software based on VB is used to query and display real-time temperature.Monitoring test data in Fenghuang flower greenhouse of Tangshan Majiagou mining area shows that the area is subsided obviously.Sedimentation value reached dozens of millimeter in 7 months，and the maximum dedimentation value can reach 83mm.The system changes the traditional detection method of distributed control system，saves manpower and material resources，and realizes real-time and reliable detection.

CAN bus，Mining subsidence area，Subsidence monitoring，Visual Basic

2015-02-04

丁愛華(1978—)，女，副教授，碩士。

TD17，TD325

A

1001-1250(2015)-04-212-04