一種便利實用的礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)

朱理望,徐建波,葉 強,陳斌濤

(湖南科技大學 計算機科學與工程學院,湖南 湘潭 411201)

以保障員工人身安全為中心的安全生產是煤炭行業(yè)永恒的主題,研制新型的安全監(jiān)控和人員定位系統(tǒng)是保證礦井和人員安全,并在突發(fā)事件后實現快速救援的重要手段。以往已投入運行的礦井安全監(jiān)測/監(jiān)控系統(tǒng)大多只是監(jiān)控了礦井各區(qū)域的環(huán)境參數,對于安全狀況只能進行預報和告警,事故突發(fā)之后,由于員工的位置和狀況不明,往往難以快速地組織有效的救援;有的監(jiān)控系統(tǒng)只是對井下人員和機車進行定位和控制,對礦井和人員的安全狀況不能給出預警,沒有做到防患于未然。因此,將礦井的環(huán)境監(jiān)測和井下人員/機車的定位相結合,采用先進技術,建立一套完善的包括全面環(huán)境監(jiān)測和人/車定位控制的礦井綜合監(jiān)測系統(tǒng),無疑將有利于提高煤礦礦井的安全監(jiān)測和預警水平,增強突發(fā)事故的應急處理能力,并促進整個煤炭行業(yè)安全生產監(jiān)控的自動化、智能化和信息化。

1 礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構

1.1 安全監(jiān)控技術的研究

近年來,我國的礦井安全監(jiān)測與監(jiān)控技術得到了迅速的發(fā)展,各種技術裝備為保障煤礦企業(yè)的安全生產發(fā)揮了重大的作用,但也有所不足[1-2]。歸納起來,以往已投入運行的監(jiān)測/監(jiān)控系統(tǒng)存在的缺陷主要有:

1)井下分站主要用于對井下瓦斯的監(jiān)控,或者是對包括瓦斯?jié)舛鹊沫h(huán)境安全參數和設備的開/停狀態(tài)進行監(jiān)測監(jiān)控,許多重要的環(huán)境參量和生產運行狀況并沒有被列入監(jiān)測監(jiān)控范圍。

2)很多安全監(jiān)控系統(tǒng)的主干網絡是基于RS-485總線,傳輸距離和傳輸速度十分有限。根據新的煤炭行業(yè)標準:井下分站與井下分站之間、井下分站與井上主機接口之間的傳輸距離在不加中繼的情況下應不小于10 km,因此,傳統(tǒng)485總線在傳輸距離和掛載數量等技術指標己無法滿足相關要求。

3)絕大多數井下分站一般只涵蓋了環(huán)境參量和生產運行狀況的監(jiān)測/監(jiān)控,而可在事發(fā)后指示最佳救援路線,為搶救和疏散人員與器材提供決策的人/車定位監(jiān)控系統(tǒng)則需重新投資建設,由于信息不暢,也無法保證監(jiān)控與救援工作的有效協(xié)同。

1.2 安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構

根據國家安全生產監(jiān)督管理總局發(fā)布的《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術要求》和相關技術標準[3],為了較好地解決以往監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)存在的主要問題,為煤礦企業(yè)提供一個既包括全面環(huán)境監(jiān)測又具備人/車定位管理功能的礦井綜合監(jiān)測平臺,本文將電子技術、數字通信技術與計算機技術相結合,采用智能傳感器作為現場檢測設備,構建礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架,如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構

系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控中心站(主機)、監(jiān)測分站、智能傳感器、電子標簽讀寫器等測量與監(jiān)控模塊,以及斷電控制器等配套設備組成。在距離較遠的監(jiān)控中心站與各監(jiān)測分站之間采用CAN總線的通信方式,CAN(控制器局域網)總線協(xié)議最早是由德國BOSCH公司為解決汽車控制部件和測量儀表之間的數據交換而開發(fā)的一種串行通信協(xié)議[4],現已應用到交通、國防、工程、工業(yè)、安防等眾多領域。CAN是一種多主站總線,最遠傳輸距離10 km,最大通信速率1 Mbps。由于現有智能傳感器產品大多配備RS-485總線接口,沒配備CAN總線接口,RS-485總線在不加中繼器的情況下,最遠傳輸距離可達1 200 m,可以覆蓋一個巷道或一個開采面/掘進面,因此,綜合考慮技術的可行性和造價的適宜性,在距離較近的監(jiān)測分站與智能傳感器之間可采用RS-485總線進行通信。傳感器的種類可包括瓦斯(甲烷)濃度、C0濃度、水壓,水位、井壁與巷道面的位移與應力、溫度、濕度、風速、負壓等等[5]。

2 監(jiān)測分站的設計與實現

2.1 監(jiān)測分站的組成結構

監(jiān)測分站是整個礦井安全監(jiān)測/監(jiān)控系統(tǒng)的核心,根據監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案和監(jiān)測分站的功能需求,監(jiān)測分站可劃分為主控模塊、I/O模塊、人機對話功能部件等部分[6],具體由單片機(MCU)系統(tǒng)、與井上監(jiān)控主機通信的CAN總線接口電路、與智能傳感器通信的RS-485總線接口電路、用于存放人/車信息的FLASH存儲器以及用于檢測和控制重要設備和斷電控制器的I/O接口、人-機對話輸入與顯示部件等部分組成。人-機對話的輸入采用遙控和鍵盤2種方式,配合LCD(液晶)的顯示信息,可方便地瀏覽傳感器的實時測量數據、告警信息及其配置參數,同時也能對分站設備、傳感器通道相關參數進行設置,還可通過相應的操作實現本地設備的斷電閉鎖與解鎖。組成結構如圖2所示。

圖2 監(jiān)測分站的組成結構

2.2 監(jiān)控分站的硬件設計

2.2.1 關鍵器件的選型

1)微處理器

微處理器(MCU)可采用Atmel公司的AT89S55單片機,它是一款低功耗、高性能的微控制器,內嵌20K程序存儲器,已被眾多嵌入式系統(tǒng)廣泛采用。

2)FLASH存儲器

分站采集的監(jiān)測數據和人/車位置信息在上傳至中心站之前必須在存儲器保存,由于AT89S55的I/O端口數量有限,所以可選用串行FLASH存儲器,AT24C64是一款8KB的串行低功耗E2PROM,通過I2C總線接口與AT89S55通信,可選擇采用。

3)CAN總線控制器與收發(fā)器

NXP公司的SJA1000是廣泛應用于汽車和工業(yè)環(huán)境的獨立CAN總線協(xié)議控制器,具有完成CAN通信協(xié)議所要求的全部特性,經過簡單的總線連接即可實現CAN總線物理層與數據鏈路層的所有功能。它全面支持BasicCAN模式(CAN2.0A協(xié)議)和增強的PeliCAN模式(CAN2.0B協(xié)議);與之配合的CAN總線收發(fā)器PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口,提供雙向的差動收/發(fā)能力。

2.2.2 CAN總線通信接口的設計

CAN總線通訊接口是監(jiān)測分站與井上監(jiān)控主機,以及監(jiān)測分站之間相互聯系的通信平臺。采用CAN控制器SJA 1000、CAN收發(fā)器PCA82C250及光電隔離芯片6N137和微處理器AT89S55的CAN總線接口的電路結構如圖3所示。

圖3 CAN總線接口的電路結構

微處理器AT89S55主要對CAN控制器SJA1000進行初始化設置和報文收發(fā)處理,AT89S55與SJA1000的連接電路如圖4所示。

圖4 AT89S55與SJA 1000的連接電路

CAN收發(fā)器PCA82C250用來建立CAN總線通信協(xié)議的物理層,以實現數據和傳輸電平之間的相互轉換。它通過電平傳輸端口CAN-H和CAN-L直接接入CAN總線信號傳輸電纜,采用6N137器件與CAN獨立控制器SJA1000進行光電隔離,微處理器AT89S55與CAN獨立控制器SJA1000的連接電路如圖4所示,CAN總線的接口電路如圖5所示。

為了增強CAN節(jié)點的抗干擾能力,SJA1000的TX0和RX 0通過高速光耦器件6N137再與PCA82C250相連。電源VCC和VDD是相互隔離的兩路電源。這樣就實現了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離,有效消除了傳輸網絡和節(jié)點之間的相互干擾,從而確保了CAN節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。

PCA82C250與CAN總線的接口部分也采用了安全和抗干擾措施,PCA82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個5.1Ω的電阻與CAN總線相連,可保護PCA82C250免受過電流的沖擊,CAN-H和CAN-L與地之間分別并聯一個1 000P的電容,用來濾除總線上的高頻干擾。

圖5 CAN總線的接口電路

2.2.3 MCU端口復用電路

由于微處理器AT89S55的端口有限,而監(jiān)測分站需要處理I/O信號較多,因此,決定采用端口復用電路來實現由AT89S55對以下I/O信號的處理。

1)按鍵輸入信號:K1～K8。

2)LCD控制信號:D0～D7,RS,R/W,E。

3)實時時鐘DS1302控制信號:串行時鐘線SCLK,控制線RST。

4)繼電器驅動信號:O1～O4。

5)外部設備頻率輸入信號:F-STR。

6)斷電儀控制信號:PWM。

7)EEPROM串行時鐘信號:SCL。

8)8路外部設備選擇信號(用于三—八譯碼):ADD0,ADD1,ADD2。

端口的復用可采用三態(tài)門器件,當MCU需要處理有關任務時,則可選通相應的三態(tài)門。經過分析,若采用含8個三態(tài)門的器件(74LS244/74LS373),以上信號可分為4組,這些三態(tài)門器件(D1、D2、D3、D4)的選通信號ST可由MCU的端口(P2)發(fā)出。電路的邏輯框圖如圖6所示。

圖6 端口復用電路框圖

2.2.4 外設信號監(jiān)測電路

為了正確識別外部設備送來的頻率信號,并確保電路工作的可靠性與安全性,必須信號進行光耦隔離處理,因此,外設信號監(jiān)測電路主要實現信號電氣隔離(U6)、信號整型和信號放大等功能,外設頻率信號監(jiān)測電路的設計如圖7所示。

圖7 頻率信號輸入整形電路

外部設備送來的頻率信號(8路)從端口J18～J25輸入,分別與數據多路選擇器U13的D0～D7端口連接,在單片機輸出使能信號(F-STR)和外設選擇信號(ADD0～ADD3)之后,通過U13的八選一功能,將選通的輸入信號經U13的Y端口進入濾波整型電路,整型后的信號再輸入到光耦芯片(U6)的IN端口,經光電轉換后由OUT端口輸出到單片機。

2.3 監(jiān)控分站的軟件設計

2.3.1 監(jiān)測分站主程序

監(jiān)測分站主程序的任務是完成系統(tǒng)的初始化,采集和上傳測量數據和人車信息,處理CAN總線接口送達的有關命令,任務的處理流程如圖8所示。

分站板需執(zhí)行的命令函數主要包括:

1)向智能傳感器發(fā)布上傳數據的命令函數;

2)分站數據上傳到監(jiān)控主機的命令函數;

3)執(zhí)行監(jiān)控主機發(fā)布的斷電/復電的命令函數。

圖8 分站板主程序流程

2.3.2 CAN接口通信程序

1)報文數據包的發(fā)送

CAN總線控制器SJA 1000先判斷發(fā)送緩沖區(qū)內的報文是否已發(fā)送完畢,如果發(fā)送緩沖區(qū)已經空閑,則將本分站采集到的監(jiān)測信息寫入到CAN控制器SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū),然后置位SJA1000的命令寄存器,請求發(fā)送報文數據包,如圖9所示。

2)報文數據包的接收

CAN總線控制器SJA1000收到報文(消息)后先通過驗收濾波器再放入接收FIFO緩沖,產生一個接收中斷并將狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)標志位置位。微處理器進入中斷處理后,將報文讀入到自身的RAM存儲器,然后置位SJA1000的命令寄存器的釋放緩沖區(qū)標志以釋放緩沖器。

2.3.3 人/車識別定位功能的設計與實現

人/車識別定位子系統(tǒng)可由監(jiān)測分站和適合井下應用的射頻識別(RFID)讀寫器及相應的電子標簽(卡)構成[7]。讀寫器完成射頻卡信息的識別和處理,通過RS-485接口上傳到監(jiān)測分站,再由監(jiān)測分站通過CAN總線上傳到井上的監(jiān)測中心站,最后由監(jiān)測主機的軟件來實現井下人員/車輛的定位管理功能。

RFID電子標簽與讀寫器應能適應礦井下惡劣環(huán)境,滿足識別遠距離、高可靠性、高抗干擾性與抗震防爆的要求,經過技術分析和比較,可采用木蘭電子科技有限公司研制的礦井專用RFID電子標簽(ML-T90)與讀寫器(ML-M800)。

圖9 報文發(fā)送程序流程

3 監(jiān)控中心站的軟件分析與設計

3.1 軟件系統(tǒng)功能的需求分析

根據系統(tǒng)的總體架構,可以將監(jiān)測中心站(上位機)的軟件系統(tǒng)劃分為3部分,如圖10所示。

1)上位機監(jiān)控程序子系統(tǒng)

主要實現井上監(jiān)控計算機與CAN總線的網絡通信、采集井下監(jiān)測數據并寫入數據庫、系統(tǒng)監(jiān)控、系統(tǒng)設置等項功能。

2)數據庫子系統(tǒng)

實現數據庫服務器的功能,管理人員通過局域網可遠程訪問監(jiān)測信息數據庫。

3)信息發(fā)布與遠程設置子系統(tǒng)

主要實現煤礦礦井安全監(jiān)測專用網站的功能,以供各級主管部門和相關人員通過局域網查詢與監(jiān)測礦井的安全與生產狀況并進行有關設置。

圖10 軟件系統(tǒng)的主要功能模塊圖

3.2 軟件系統(tǒng)的設計方法

上位機監(jiān)控程序主要包括CAN通信、綜合監(jiān)控和系統(tǒng)設置3個基本模塊,可采用WinCC組態(tài)軟件、VC或C#等開發(fā)工具設計;數據庫子系統(tǒng)和信息發(fā)布與遠程設置子系統(tǒng)可采用B/S工作模式[8],系統(tǒng)由用戶界面層(Browser)、商業(yè)邏輯層(Web Server)、數據庫服務層(Database Server)構成3層分布式體系結構,采用ASP或JSP進行設計與開發(fā)。

4 結束語

本文提出了一種結構合理且技術實用的礦井安全綜合監(jiān)測系統(tǒng)結構,然后完成了監(jiān)測系統(tǒng)關鍵設備——監(jiān)測分站的軟硬件設計,最后確定了監(jiān)測軟件系統(tǒng)的總體結構和設計方法,經檢測與試用,監(jiān)測分站基本實現了設計的各項功能,具有性能可靠、功能完備、操作方便等特點,可廣泛適用于煤炭行業(yè)各類礦井的安全監(jiān)測與監(jiān)控。監(jiān)測分站板實物圖片(正反面)如圖11所示。

圖11 監(jiān)測分站板實物圖

[1] 李玉國.礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要問題分析及解決方法[J].煤炭工程,2006,53(9):103-105.

[2] 張國盛,林安棟.礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史及趨勢[J].煤炭技術,2009,28(2):8-9.

[3] AQ6201-2006.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術要求[S].北京:中國標準出版社,2006.

[4] Robert B G.CAN Specification V 2.0[EB/OL].[2010-04-12].Http://www.semiconductors.bosch.de/pdf/can2spec.pdf.

[5] 趙冬青.基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].太原:中北大學,2008.

[6] 朱小三.基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現[D].西安:西安電子科技大學,2007.

[7] 徐立軍.基于RFID的煤礦井下人員定位系統(tǒng)[D].阜新:遼寧工程技術大學,2006.

[8] 李輝,高攀,麥林,等.基于Web的ITS的研究和實現[J].廣西工學院學報,2008,19(4):39-42.