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煤礦監控系統總體構成

整個礦井監控系統是由地面監控中心、井下監控分站、受控設備以及通信介質四部分構成。井下每個監控分站與受控設備之間通過CAN總線相連，并采用雙絞線傳輸介質，負責采集傳感器數據并傳送給地面監控中心，同時接收來自控制中心的各種控制信號，必要時對聲光報警器、排水、通風、機電等設備進行控制。地面監控中心由一臺監控主機和一臺監控備份機、本地服務器、打印機、中繼器、網絡交換機以及遠程聯網控制計算機組成，主要負責接收、顯示、打印和存儲從井下分站傳來的各種環境參數數據，并根據需要通過井下監控分站向受控設備發送各種配置命令及對現場設備的控制命令?？紤]到實時性及傳輸數據量大的需要，地面監控中心與井下各監控分站是通過光纖總線方式連接起來的。該連接部分及地面監控中心采用工業以太網組建。

監控分站的設計

監控分站在整個系統中的地位舉足輕重，起到橋接can總線及工業以太網的作用。監控分站一般有3種實現方案:微控制器+CAN控制器+CAN收發器;集成CAN控制器的微控制器+CAN收發器;CAN的串行I/O器件+CAN收發器。出于簡化硬件設計，提高結構穩定性的考慮，本系統中的井下監控分站采用第一種實現方式。系統監控分站的微控制器采用LPC2119和P87C591處理器共同完成分站的監控任務。主CPU負責邏輯關系判別、報警閥值識別、遠近程斷電控制、瓦斯預測、與地面工業以太網絡通信等，從CPU負責接收來自CAN總線的信號采集數據、測值技術與換算、邏輯關系和數字顯示等任務，兩個CPU協調工作，大大提高了分站的監控的效率，增強了分站的功能，同時還降低了以太網的網絡負荷。主微控制器LPC2119是PHILIPS公司的32位工業級ARM芯片，具有16KB片內靜態RAM和256KB片內Flash程序存儲器，通過片內PLL鎖相環可實現最大為60MHz的CPU操作頻率。4路10位A/D轉換器，轉換時間低至2.44us；2路CAN控制器、PWM通道、46個GPIO以及多達9個外部中斷管腳；具有多個32位定時器及多個串行接口和低功耗實時鐘；具有很高的性價比，價格適中，低功耗，開發資源豐富，有利于縮短產品的開發周期。從微控制器P89C669FA的51MX(存儲器擴展)內核是一種加速的80C51結構，指令執行速度相當于標準80C51單片機的兩倍。51MX的線性地址可以擴展為8M字節的程序存儲器和數據存儲器。51MX兼容80C51全部的程序代碼，可以繼續使用80C51的開發工具，同時51MX內核與80C51完全兼容，可以繼續使用80C51接口的外圍電路。CAN接口的硬件電路主要由獨立CAN控制器SJA1000，CAN收發器TJA1050，高速光耦合隔離器6N137等四部分組成，SJA1000是Philips半導體公司生產的獨立CAN控制器，在汽車及普通工業行業，用于替代PCA82C200CAN控制器(BasicCAN)，它增加了一種新的工作模式(PeliCAN)，該模式可支持CAN2.0B協議。TJA1050是Philips公司生產的高速CAN總線收發器。該器件是CAN控制器與物理總線之間的接口。TJA1050可以為CAN總線提供差動發送和差動接收功能。為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，SJA1000的TX0、RX0與TJA1050的TXD、RXD之間通過光耦6N137相連，從而很好地實現了總線上節點間的電器隔離，降低了節點噪聲對總線的干擾。但應該注意的是光藕部分電路所采用的兩個電源VCC和CVCC必須完全隔離,否則就失去了隔離的意義，電源隔離可以采用SR5S5/100模塊來實現。TJA1000的CANH、CANL引腳個連接了一個60Ω的電阻與CAN總線相連,電阻可以起到限流作用，保護TJA1000免受過流沖擊；在CANH、CANL與地之間并聯兩個33PF的小電容,可以濾除總線上的高頻干擾，增強防電磁輻射的能力。

監控系統軟件設計

按照遠程監控系統的軟件需要完成的任務，可將軟件劃分為六大功能模塊：數據采集與監測功能。包括瓦斯濃度、風速、溫度、負壓、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、電壓、電流、功率、主扇、局扇、水泵、采煤機、掘進機、皮帶機、刮板運輸機、絞車等機電設備開停，以及風門、電機車位置等；報警功能，超限或異常故障時，聲光報警；控制功能，控制機電系統的動作；存貯、打印和查詢功能，可存貯、打印和查詢開關量、模擬量實時數據和歷史數據；實時多任務操作功能。在不中斷正常數據采集的情況下通過計算機可以完成傳感器類型、測值、安裝地點的登記與修改；傳感器報警點的設置與修改；報表的設置與打??；系統自檢功能。通過各種狀態指示燈和自檢程序隨時進行分析診斷，判斷故障原因。圖5所示為系統軟件功能框架。為了降低系統開發難度及成本，縮短開發周期，上位機(即監控主機)軟件可基于Windows操作系統，以NI公司出品的LabWindows圖形化開發工具為平臺，設計上位機監控軟件。井下監控分站運行RTLinux嵌入式操作系統，直接調用現有模塊開發所需的驅動程序，CAN節點則可根據各自不同功能用嵌入式C語言或者匯編語言開發。

煤礦井下的環境是非常復雜和惡劣的，需要的工作設備和監測設備也非常多。井下檢測環境的主要特點有：環境異常惡劣。檢測對象種類繁多。測點分布廣，分布不均勻，從而使傳感器信號和各種檢測信號傳送變得復雜和困難。需要中央監控室集中監測。綜上，基于工業以太網和CAN總線相結合的煤礦安全監測監控系統充分發揮了以太網和現場總線各自的優勢，具有結構精簡、維護成本低、系統的準確性和可靠性高、可擴展性強等特點，能夠較好的解決上述4點煤礦企業普遍存在的問題,為企業節省大量的投資及安全維護費用，因此更具有市場競爭力和發展前景。

本文作者：張廷榮作者單位：蘭州交通大學自動化與電氣工程學院