馮 博 田慕琴

(煤礦裝備與安全控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

礦用氣體傳感器無人值守校驗(yàn)系統(tǒng)的研究

馮 博 田慕琴

(煤礦裝備與安全控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

為了給煤礦工作提供更安全的工作環(huán)境，提高工作效率，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于力控組態(tài)軟件PCAuto6.1開發(fā)平臺的氣體傳感器智能檢定和校驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過單片機(jī)C8051實(shí)現(xiàn)對傳感器實(shí)時數(shù)據(jù)的智能分析和處理，并通過軟件編程產(chǎn)生紅外控制信號實(shí)現(xiàn)無人值守閉環(huán)調(diào)校。上位機(jī)利用力控組態(tài)軟件開發(fā)數(shù)據(jù)庫并對特定數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，同時對傳感器的性能進(jìn)行分析判斷，打印生成規(guī)范表格，防止人為修改檢定結(jié)果。該系統(tǒng)為煤礦的安全生產(chǎn)提供了保障。

氣體傳感器 紅外信號 力控組態(tài)軟件 單片機(jī) 檢定裝置

0 引言

我國煤炭資源豐富，但地質(zhì)條件惡劣、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，47%的礦井屬于高瓦斯或瓦斯突出礦井，所以對瓦斯等氣體濃度的檢測是確保煤礦安全生產(chǎn)的至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。然而，目前國內(nèi)外檢測校驗(yàn)礦用氣體傳感器普遍采用熱催化元件，這種元件是化學(xué)敏感器件，長時間工作時存在零點(diǎn)漂移和靈敏度的變化，影響了整個監(jiān)測的可靠性［1］;同時，國內(nèi)許多煤礦采用手工調(diào)校技術(shù)，技術(shù)人員通常需要將氣體傳感器帶離現(xiàn)場，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)校，步驟復(fù)雜且費(fèi)時，且影響氣體報警儀的測量準(zhǔn)確性和調(diào)校及時性。

針對上述手工調(diào)校的種種缺點(diǎn)，本文在原有手動調(diào)校技術(shù)的基礎(chǔ)上，以PCAuto6.1為開發(fā)平臺，為調(diào)校儀器加入了CPU，形成了集調(diào)校、記錄、存儲和分析為一體的智能調(diào)校系統(tǒng)。調(diào)校儀表采用微處理器后能實(shí)現(xiàn)“硬件軟化”，許多硬件邏輯可用軟件取代。軟件控制帶來了很大的靈活性和智能化，可以進(jìn)行許多復(fù)雜的計算，可以很容易地實(shí)現(xiàn)多種自動補(bǔ)償、自動校正、多次測量平均等技術(shù)，以提高測量精度。

1 系統(tǒng)的組成

1.1 硬件組成

系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)C8051F020、信號調(diào)理電路、掉電保護(hù)電路、復(fù)位電路、鍵盤、A/D轉(zhuǎn)換器、顯示和驅(qū)動等，其組成如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition of the hardware system

系統(tǒng)采用RS-232串口總線實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信，上位機(jī)通過力控組態(tài)建立實(shí)時動態(tài)工作界面，下位機(jī)主芯片采用C8051F020采集和處理系統(tǒng)調(diào)校過程中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)氣的每一條氣路首段安裝了一個電磁閥，通過控制流量控制器來改變氣體流量，使每臺被調(diào)校的傳感器能夠與標(biāo)準(zhǔn)氣充分接觸。被校驗(yàn)的傳感器的工作狀態(tài)通過繼電器控制，繼電器由上位機(jī)控制，這樣可以靈活多變地選擇需要校驗(yàn)的傳感器，并且可以實(shí)現(xiàn)多路同時檢驗(yàn)，為校驗(yàn)調(diào)校工作帶來極大的方便。氣路分布圖如圖2所示。

圖2 氣路分布圖Fig.2 Distribution of gas paths

1.2 調(diào)節(jié)方法

首先通過上位機(jī)選擇需要校驗(yàn)的傳感器，打開電磁閥，通入校驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)氣體。再調(diào)節(jié)流量控制器改變氣體的流量，使傳感器得到充足的標(biāo)準(zhǔn)氣體。當(dāng)氣路中充滿標(biāo)準(zhǔn)氣體后，觀察傳感器的顯示值直到讀數(shù)穩(wěn)定，然后比較傳感器的讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值是否一致。若穩(wěn)定值與標(biāo)準(zhǔn)氣體值不一致，則利用紅外遙控原理，上位機(jī)通過串口向下位機(jī)發(fā)送“加”(“減”)命令，經(jīng)過C8051芯片的處理產(chǎn)生紅外控制信號來調(diào)節(jié)傳感器的顯示值，直到傳感器的顯示值與標(biāo)準(zhǔn)氣體一致。至此，傳感器調(diào)校結(jié)束。

2 系統(tǒng)軟件

上位機(jī)的開發(fā)以力控監(jiān)控組態(tài)軟件PCAuto6.1軟件為平臺。該軟件是對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過程控制的專用軟件，它的最大特點(diǎn)是:以各種控件為單元，采用靈活多變的組態(tài)方式集成系統(tǒng);同時它還提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡潔的工程實(shí)現(xiàn)方法［2］。

2.1 創(chuàng)建操作界面

首先在力控開發(fā)環(huán)境中選擇I/O設(shè)備組態(tài)，設(shè)置通信設(shè)備的地址、通信方式、串口、波特率、奇偶校驗(yàn)以及數(shù)據(jù)包的長度等。然后根據(jù)I/O設(shè)備建立數(shù)據(jù)庫點(diǎn)，數(shù)據(jù)庫的點(diǎn)參數(shù)與設(shè)備的通道地址相對應(yīng)，通過數(shù)據(jù)庫的點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信。最后利用力控組態(tài)軟件的不同控件，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計出豐富且操作簡易的工作界面。

2.2 I/O設(shè)備驅(qū)動和通信協(xié)議的設(shè)置

組態(tài)軟件驅(qū)動程序是一個獨(dú)立的服務(wù)程序，它響應(yīng)來自數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)下發(fā)指令，同時解析設(shè)備發(fā)送的通信報文，將報文轉(zhuǎn)化成可以識別的寄存器地址。當(dāng)組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)庫變量與之對應(yīng)時，便可以完成數(shù)據(jù)流的連接［3］。

當(dāng)選擇串行口通信時，可以通過一個 RS232-RS485轉(zhuǎn)換器將一臺或多臺PLC、智能模塊與計算機(jī)連接在一起。當(dāng)用一條RS-485總線連接多臺PLC、智能模塊時，每臺PLC、智能模塊的地址必須是唯一的。本系統(tǒng)的通信協(xié)議選擇標(biāo)準(zhǔn)的Modbus(RTU串行口)協(xié)議，通信時，信息是以8位二進(jìn)制方式傳送的，冗余檢驗(yàn)方法為CRC-16冗余檢驗(yàn)法［4］。這種模式的最大優(yōu)點(diǎn)是在同等傳輸速率下傳輸比ASCII模式信息量大的數(shù)據(jù)。由主控裝置設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)Modbus傳輸協(xié)議的起始位和結(jié)束位標(biāo)志的幀，使接收裝置可以通過該標(biāo)志確定數(shù)據(jù)傳送開始和結(jié)束的時間。Modbus-RTU的通信格式如圖3所示。

圖3 Modbus-RTU通信格式Fig.3 Modbus-RTU communication format

2.3 數(shù)據(jù)源的配置

首先利用 Access 2003建立一個“db1.mdb”數(shù)據(jù)庫，然后配置開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)(open database connectivity，ODBC)數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)源的配置有兩種方法。其中一種方法是可以通過Windows系統(tǒng)設(shè)置中的“數(shù)據(jù)源(ODBC)”創(chuàng)建完成。其創(chuàng)建過程如下:進(jìn)入［控制面板］-［管理工具］，雙擊打開“數(shù)據(jù)源(ODBC)”快捷方式，然后在“ODBC數(shù)據(jù)源管理器”窗口中選擇“系統(tǒng)DSN”選項(xiàng)卡，單擊確定按鈕就可以配置數(shù)據(jù)源［5］。另一種方法是通過力控軟件，在控件的“腳本編輯器”窗口的工具欄中，單擊“數(shù)據(jù)源選擇”開始配置數(shù)據(jù)源(在控件中配置數(shù)據(jù)源時，必須選擇“Machine Data Source”，否則力控?zé)o法識別)。

對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問時，首先在力控軟件中建立數(shù)據(jù)表的綁定。數(shù)據(jù)表的綁定是將數(shù)據(jù)表中的字段與Draw中的變量相關(guān)聯(lián)，使Draw變量和數(shù)據(jù)庫表中的字段一一對應(yīng)，這樣就可以通過調(diào)用和改變變量來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的調(diào)用和修改。采用函數(shù)SQLConnect(ConnectID，DataSourceDesc)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫Access2003的連接。

ConnectID數(shù)據(jù)源標(biāo)為整型，DataSourceDesc數(shù)據(jù)源描述可以通過“SQL連接”按鈕得到字符串。

具體程序如下。

其中，“biao1”是數(shù)據(jù)庫中表的名稱;“fenzhan”是數(shù)據(jù)庫表綁定的捆綁表名稱。

2.4 紅外遙控

現(xiàn)有的紅外遙控包括兩種方式:脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)和脈沖位置調(diào)制(pulse position modulation，PPM)。

PWM以發(fā)射紅外載波的占空比的不同代表“0”和“1”。一般情況下，為了節(jié)省能量，發(fā)射紅外載波的時間固定，通過單片機(jī)改變不發(fā)射載波的時間來改變占空比。紅外編碼位如圖4所示。此外，為了解碼的方便，編碼時會有引導(dǎo)碼，通常的引導(dǎo)碼為載波發(fā)射9 ms、不發(fā)射 4.5 ms。PPM 以發(fā)射載波的位置表示“0”和“1”。每一位二進(jìn)制數(shù)所占用的時間是相同的，只是傳號脈沖的位置有所不同［6－7］，即發(fā)射載波和不發(fā)射載波的時間相同，都是0.68 ms，也就是每位二進(jìn)制數(shù)占用的時間是固定的。

圖4 紅外編碼位Fig.4 IR encoding bits

紅外信號的編碼方式和傳輸方式都是以位“0”和位“1”為基礎(chǔ)單元進(jìn)行編碼，從而形成一個多位的二進(jìn)制數(shù)。單片機(jī)C8051F020的內(nèi)部存儲空間的儲存方式是以8位為一個單元，監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)校系統(tǒng)通信時的通信協(xié)議也是以8位為一個字節(jié)傳輸?shù)模晕覀儽仨殞t外編碼重新進(jìn)行編寫。

通過以上對紅外編碼的分析可知，載波是紅外遙控技術(shù)的基礎(chǔ)，而紅外遙控裝置常用的載波頻率為38 kHz，周期為26 μs，而且所有遙控器的控制信號都是以高低電平持續(xù)時間不同為信號特征，所以本文提出一種更為普通的方法來實(shí)現(xiàn)傳感器的紅外控制。具體方法是在下位機(jī)利用C8051F020單片機(jī)中的定時

式中:tF為載波發(fā)射時間;tL為載波不發(fā)射時間;T為載波的時間。

以GJC40(A)傳感器為例，介紹重新編碼的方法。

通過計算，GJC40(A)傳感器遙控器紅外編碼中的“0”可以表示成十六進(jìn)制“1515”，第一個15表示所需要發(fā)射的載波個數(shù)，第二個15表示不發(fā)射載波的時間。同樣“1”可以表示成十六進(jìn)制“1540”。GJC40(A)傳感器遙控器中“功能”鍵的紅外編碼為:

重新編寫后的結(jié)果如表1所示。器產(chǎn)生總時間長為26 μs的高電平信號作為基數(shù)，用這個基數(shù)乘以一個系數(shù)就可以得到符合各類傳感器紅外控制協(xié)議要求的信號，然后對傳感器遙控器的功能碼進(jìn)行分析、計算，得到所需要的碼。其原理是根據(jù)紅外編碼的格式，通過相應(yīng)公式計算得到在高/低電平持續(xù)時間內(nèi)單片機(jī)需要連續(xù)產(chǎn)生26 μs載波的個數(shù)，然后以十六進(jìn)制的形式把這些個數(shù)按原紅外控制信號的順序排列，就得到所需要的碼。這樣的編碼既方便在上位機(jī)進(jìn)行維護(hù)，又能很好地實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信。

表1 重新編碼對照表Tab.1 Cross reference of the recoding

紅外控制信號程序流程圖如圖5所示。

圖5 紅外控制流程圖Fig.5 IR control flowchart

首先利用單片機(jī)的定時器產(chǎn)生基準(zhǔn)時間26 μs，下位機(jī)調(diào)校系統(tǒng)接收到控制命令后，提取數(shù)據(jù)段第一個字節(jié)作為發(fā)送高電平的時間系數(shù)，發(fā)送完成后再提取第二個字節(jié)作為發(fā)送低電平的時間系數(shù)(即為執(zhí)行次數(shù))，發(fā)送完成后即完成一個周期信號的發(fā)送;然后繼續(xù)提取下一個周期的時間系數(shù)，不斷循環(huán)直到發(fā)送結(jié)束。循環(huán)總次數(shù)即紅外編碼的位數(shù)(包括結(jié)束位)。

3 相應(yīng)結(jié)論

智能傳感器調(diào)校系統(tǒng)的開發(fā)解決了氣體傳感器在調(diào)校過程中自動化水平不高、安全性差、精度不到位、費(fèi)時等問題。在整個開發(fā)過程中，我們與各大煤礦調(diào)校室的工作人員緊密結(jié)合，切實(shí)做好調(diào)校工作以滿足用戶的需求。

調(diào)校系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

①通用性的系統(tǒng)設(shè)計，對各類氣體傳感器不僅可以使用自動調(diào)校的功能，用戶還可以根據(jù)需求選擇手動調(diào)校。

②加入了傳感器性能檢測模塊，及時對傳感器的性能參數(shù)進(jìn)行分析并且做出性能是否合格的判定，使用戶在很大程度上節(jié)約了調(diào)校成本。

③數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)模塊。

④創(chuàng)新的編碼方式真正實(shí)現(xiàn)了無人值守的調(diào)校工作。

4 結(jié)束語

本文研制的系統(tǒng)通過對紅外信號的重現(xiàn)編碼，不僅實(shí)現(xiàn)了對傳感器的無人值守自動調(diào)校，而且突破了現(xiàn)有傳感器調(diào)校裝置通常只能對一種類型傳感器進(jìn)行調(diào)校的模式。對于不同種類不同型號的氣體傳感器，系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)調(diào)校，極大提高了傳感器檢定調(diào)校工作的效率，為煤礦的生產(chǎn)提供了安全保障。

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Research on the Unattended Calibration System of Mine Gas Sensor

In order to provide a safer working environment for coal mine production and improve the operational efficiency，the intelligent calibration and verification system of gas sensors has been designed and implemented based on force control configuration software PCAuto6.1 developing platform.In this system，the real time data of the sensors are analyzed and processed intelligently through the single chip machine C8051;and infrared control signals are produced via software programming to implement unattended closed loop calibration.In host computer，the database is developed by force-control configuration and specific data are saved，the performance of the sensor is analyzed and judged.Standardized forms are generated and printed out to prevent the calibration results to be tampered.The system provides a guarantee for the safety production of coal mine.

Gas sensors Infrared signal Force-control configuration software Single chip machine Verification equipment

TH273

A

修改稿收到日期:2013－03－29。

馮博(1984－)，男，現(xiàn)為太原理工大學(xué)電氣工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事系統(tǒng)自動化的研究。