简析工业以太网和CAN总线的煤矿安全系统设计

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煤矿监控系统总体构成

整个矿井监控系统是由地面监控中心、井下监控分站、受控设备以及通信介质四部分构成。井下每个监控分站与受控设备之间通过CAN总线相连，并采用双绞线传输介质，负责采集传感器数据并传送给地面监控中心，同时接收来自控制中心的各种控制信号，必要时对声光报警器、排水、通风、机电等设备进行控制。地面监控中心由一台监控主机和一台监控备份机、本地服务器、打印机、中继器、网络交换机以及远程联网控制计算机组成，主要负责接收、显示、打印和存储从井下分站传来的各种环境参数数据，并根据需要通过井下监控分站向受控设备发送各种配置命令及对现场设备的控制命令。考虑到实时性及传输数据量大的需要，地面监控中心与井下各监控分站是通过光纤总线方式连接起来的。该连接部分及地面监控中心采用工业以太网组建。

监控分站的设计

监控分站在整个系统中的地位举足轻重，起到桥接can总线及工业以太网的作用。监控分站一般有3种实现方案:微控制器+CAN控制器+CAN收发器;集成CAN控制器的微控制器+CAN收发器;CAN的串行I/O器件+CAN收发器。出于简化硬件设计，提高结构稳定性的考虑，本系统中的井下监控分站采用第一种实现方式。系统监控分站的微控制器采用LPC2119和P87C591处理器共同完成分站的监控任务。主CPU负责逻辑关系判别、报警阀值识别、远近程断电控制、瓦斯预测、与地面工业以太网络通信等，从CPU负责接收来自CAN总线的信号采集数据、测值技术与换算、逻辑关系和数字显示等任务，两个CPU协调工作，大大提高了分站的监控的效率，增强了分站的功能，同时还降低了以太网的网络负荷。主微控制器LPC2119是PHILIPS公司的32位工业级ARM芯片，具有16KB片内静态RAM和256KB片内Flash程序存储器，通过片内PLL锁相环可实现最大为60MHz的CPU操作频率。4路10位A/D转换器，转换时间低至2.44us；2路CAN控制器、PWM通道、46个GPIO以及多达9个外部中断管脚；具有多个32位定时器及多个串行接口和低功耗实时钟；具有很高的性价比，价格适中，低功耗，开发资源丰富，有利于缩短产品的开发周期。从微控制器P89C669FA的51MX(存储器扩展)内核是一种加速的80C51结构，指令执行速度相当于标准80C51单片机的两倍。51MX的线性地址可以扩展为8M字节的程序存储器和数据存储器。51MX兼容80C51全部的程序代码，可以继续使用80C51的开发工具，同时51MX内核与80C51完全兼容，可以继续使用80C51接口的外围电路。CAN接口的硬件电路主要由独立CAN控制器SJA1000，CAN收发器TJA1050，高速光耦合隔离器6N137等四部分组成，SJA1000是Philips半导体公司生产的独立CAN控制器，在汽车及普通工业行业，用于替代PCA82C200CAN控制器(BasicCAN)，它增加了一种新的工作模式(PeliCAN)，该模式可支持CAN2.0B协议。TJA1050是Philips公司生产的高速CAN总线收发器。该器件是CAN控制器与物理总线之间的接口。TJA1050可以为CAN总线提供差动发送和差动接收功能。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0、RX0与TJA1050的TXD、RXD之间通过光耦6N137相连，从而很好地实现了总线上节点间的电器隔离，降低了节点噪声对总线的干扰。但应该注意的是光藕部分电路所采用的两个电源VCC和CVCC必须完全隔离,否则就失去了隔离的意义，电源隔离可以采用SR5S5/100模块来实现。TJA1000的CANH、CANL引脚个连接了一个60Ω的电阻与CAN总线相连,电阻可以起到限流作用，保护TJA1000免受过流冲击；在CANH、CANL与地之间并联两个33PF的小电容,可以滤除总线上的高频干扰，增强防电磁辐射的能力。

监控系统软件设计

按照远程监控系统的软件需要完成的任务，可将软件划分为六大功能模块：数据采集与监测功能。包括瓦斯浓度、风速、温度、负压、一氧化碳、二氧化碳、氧气、电压、电流、功率、主扇、局扇、水泵、采煤机、掘进机、皮带机、刮板运输机、绞车等机电设备开停，以及风门、电机车位置等；报警功能，超限或异常故障时，声光报警；控制功能，控制机电系统的动作；存贮、打印和查询功能，可存贮、打印和查询开关量、模拟量实时数据和历史数据；实时多任务操作功能。在不中断正常数据采集的情况下通过计算机可以完成传感器类型、测值、安装地点的登记与修改；传感器报警点的设置与修改；报表的设置与打印；系统自检功能。通过各种状态指示灯和自检程序随时进行分析诊断，判断故障原因。图5所示为系统软件功能框架。为了降低系统开发难度及成本，缩短开发周期，上位机(即监控主机)软件可基于Windows操作系统，以NI公司出品的LabWindows图形化开发工具为平台，设计上位机监控软件。井下监控分站运行RTLinux嵌入式操作系统，直接调用现有模块开发所需的驱动程序，CAN节点则可根据各自不同功能用嵌入式C语言或者汇编语言开发。

煤矿井下的环境是非常复杂和恶劣的，需要的工作设备和监测设备也非常多。井下检测环境的主要特点有：环境异常恶劣。检测对象种类繁多。测点分布广，分布不均匀，从而使传感器信号和各种检测信号传送变得复杂和困难。需要中央监控室集中监测。综上，基于工业以太网和CAN总线相结合的煤矿安全监测监控系统充分发挥了以太网和现场总线各自的优势，具有结构精简、维护成本低、系统的准确性和可靠性高、可扩展性强等特点，能够较好的解决上述4点煤矿企业普遍存在的问题,为企业节省大量的投资及安全维护费用，因此更具有市场竞争力和发展前景。

本文作者：张廷荣作者单位：兰州交通大学自动化与电气工程学院