基于CAN總線的可燃危險(xiǎn)品庫(kù)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張鵬翀，張宏

(中船重工第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

危險(xiǎn)品庫(kù)中貯存的物品危險(xiǎn)等級(jí)高，在庫(kù)內(nèi)貯存保管以及運(yùn)輸中，一旦受內(nèi)外部影響發(fā)生火災(zāi)等事故將帶來(lái)難以估量的損失，因此危險(xiǎn)品庫(kù)需要全方位實(shí)時(shí)進(jìn)行安全監(jiān)控。而危險(xiǎn)品庫(kù)中有的物品受到無(wú)線信號(hào)的影響，帶來(lái)不可預(yù)知的后果，因此安全監(jiān)控系統(tǒng)不能采用無(wú)線傳感器組網(wǎng)。本文提出一種采用總線組網(wǎng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控功能，CAN總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、通信速率快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn), 已在眾多工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1,5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

危險(xiǎn)品庫(kù)安全監(jiān)控系統(tǒng)由安全監(jiān)控臺(tái)和傳感器組成，安全監(jiān)控臺(tái)和傳感器之間采用總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)可以直接被安全監(jiān)控臺(tái)獲取，保證了實(shí)時(shí)性。安全監(jiān)控臺(tái)主要用于信息的監(jiān)測(cè)顯示、危險(xiǎn)報(bào)警和消防設(shè)備的控制。傳感器包括溫度、煙霧、火焰、壓力、可燃?xì)怏w濃度以及溫度變化速率傳感器。安全監(jiān)控臺(tái)通過(guò)CAN總線與各種傳感器連接起來(lái)進(jìn)行通信，安全監(jiān)控臺(tái)的監(jiān)控軟件采用力控組態(tài)軟件采集CAN總線上各個(gè)傳感器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，將各個(gè)傳感器上傳的信息和報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行集中顯示，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控臺(tái)采用內(nèi)部配置PCI-5010-U板卡的工控機(jī)從而保證與傳感器網(wǎng)絡(luò)的CAN通信。安全監(jiān)控臺(tái)面板布置有預(yù)警報(bào)警指示燈、火災(zāi)報(bào)警指示燈、故障報(bào)警指示燈和蜂鳴器。

圖 1 可燃危險(xiǎn)品庫(kù)安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig. 1Network architecture diagram of safety monitoring system for flammable dangerous goods warehouse

傳感器由探測(cè)模塊和控制模塊組成。探測(cè)模塊主要由敏感元件、前級(jí)信號(hào)放大電路等組成；控制模塊主要由信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)和通信電路等組成。

各類型傳感器除探測(cè)模塊的敏感元件不同外，其控制模塊采用通用化模塊設(shè)計(jì)。

探測(cè)模塊的敏感元件把物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)前級(jí)信號(hào)放大電路處理后，輸出4～20 mA電流信號(hào)，探測(cè)模塊選取德州儀器的XTR105芯片作為信號(hào)變送器對(duì)各種物理特征量進(jìn)行處理，如圖2所示。

圖 2 信號(hào)放大電路Fig. 2Signal amplification circuit

信號(hào)調(diào)制電路用于將探測(cè)模塊輸出的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換成一定幅值的電壓信號(hào)輸出至單片機(jī)。信號(hào)調(diào)制電路通過(guò)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電流/電壓的轉(zhuǎn)換及濾波。運(yùn)算放大器選用美國(guó)Analog公司的AD8571，具有高輸入阻抗、超低失調(diào)、零漂移和低偏置電流特性，如圖3所示[3]。

圖 3 信號(hào)調(diào)制電路Fig. 3Signal conditioning circuit

傳感器采用C8051F040作為控制芯片，C8051F04芯片集成了CAN控制器，只需配置CAN收發(fā)器即可進(jìn)行通信，CAN收發(fā)器選擇周立功CTM1050T芯片作為帶光電隔離CAN通信收發(fā)器，如圖4所示[2]。0

圖 4 CAN總線通信電路Fig. 4CAN bus communication circuit

傳感器通過(guò)敏感元件采集危險(xiǎn)品庫(kù)中的危險(xiǎn)特征參數(shù)，與設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比。若超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)會(huì)向安全監(jiān)控臺(tái)發(fā)送報(bào)警信號(hào)及采集到的數(shù)據(jù)；若沒(méi)有超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)只發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器軟件設(shè)計(jì)

傳感器軟件包括4個(gè)模塊：信息處理模塊、CAN通信模塊、危險(xiǎn)特征采集模塊和信息存貯模塊。傳感器軟件架構(gòu)如圖5所示。

1）危險(xiǎn)特征采集模塊采集來(lái)自敏感元件的信號(hào)；

2）CAN通信模塊上傳傳感器的狀態(tài)和采集到的數(shù)據(jù)；

3）信息處理模塊，處理采集到的數(shù)據(jù)，生成傳感器狀態(tài)參數(shù)；

4）信息存儲(chǔ)模塊，存儲(chǔ)傳感器相關(guān)配置參數(shù)。

圖 5 傳感器軟件架構(gòu)框圖Fig. 5Sensor software architecture diagram

3.2 安全監(jiān)控臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控臺(tái)軟件在組態(tài)軟件環(huán)境下開發(fā)，在危險(xiǎn)品庫(kù)的平面圖上布置有傳感器的圖標(biāo)，圖標(biāo)上顯示傳感器測(cè)的溫度、煙霧濃度、壓力值、可燃?xì)怏w濃度和溫度變化率的數(shù)值，界面上傳感器的布置位置與實(shí)際安裝的位置相同。軟件界面上還有整個(gè)CAN通信鏈路狀態(tài)指示，可以顯示傳感器和安全監(jiān)控臺(tái)之間的通信狀況。軟件應(yīng)能存儲(chǔ)傳感器的報(bào)警信息以及歷史數(shù)據(jù)，并可以文本形式導(dǎo)出。

安全監(jiān)控臺(tái)軟件包括CAN通信模塊、日志存儲(chǔ)模塊、信息處理顯示模塊和I/O驅(qū)動(dòng)模塊，安全監(jiān)控臺(tái)軟件流程如圖6所示。CAN通信模塊將傳感器上傳的信息解析，信息處理顯示模塊將解析后的數(shù)據(jù)分析處理后進(jìn)行界面顯示，I/O驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和報(bào)警指示燈，日志存儲(chǔ)模塊將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)下來(lái)。安全監(jiān)控臺(tái)監(jiān)控軟件界面主要由傳感器布置示意圖，安全監(jiān)控臺(tái)和傳感器通信連接示意圖組成。每一個(gè)傳感器圖標(biāo)可以顯示自身對(duì)應(yīng)的信息如溫度值、壓力值、可燃?xì)怏w濃度值、煙霧濃度值和溫度變化率的值。當(dāng)危險(xiǎn)特征值超出預(yù)警報(bào)警閾值時(shí)，傳感器圖標(biāo)變?yōu)槌壬W爍，蜂鳴器低頻鳴叫，當(dāng)危險(xiǎn)特征值超出火災(zāi)報(bào)警閾值時(shí)，傳感器圖標(biāo)變?yōu)榧t色閃爍，蜂鳴器高頻鳴叫，軟件界面如圖7所示[4]。

圖 6 安全監(jiān)控臺(tái)軟件流程圖Fig. 6Flow chart of monitoring software of safety monitoring station

圖 7 安全監(jiān)控臺(tái)軟件界面Fig. 7Interface of monitoring software of safety monitoring station

4 系統(tǒng)測(cè)試

將2個(gè)溫度傳感器、2個(gè)煙霧傳感器、3個(gè)溫度變化率傳感器、2個(gè)可燃?xì)怏w傳感器、1個(gè)壓力傳感器和1個(gè)火焰?zhèn)鞲衅?，布置? m×6 m，高為3 m的危險(xiǎn)品庫(kù)中，在庫(kù)內(nèi)的典型危險(xiǎn)點(diǎn)設(shè)置火源，溫度傳感器和溫度變化率傳感器發(fā)出火災(zāi)報(bào)警，火焰?zhèn)鞲衅靼l(fā)出預(yù)警報(bào)警，如圖8所示。由測(cè)試結(jié)果可知，整個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠正確及時(shí)識(shí)別火災(zāi)。

圖 8 安全監(jiān)控臺(tái)火災(zāi)報(bào)警界面Fig. 8Interface of fire alarm of safety monitoring station

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)測(cè)試結(jié)果該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)報(bào)警響應(yīng)速度快，人機(jī)界面直觀，傳感器組網(wǎng)簡(jiǎn)便易于擴(kuò)展，可根據(jù)需要添加傳感器，監(jiān)控程序可移植性強(qiáng)。