柯書國 張紅娟 靳寶全 高 妍 薛 瑄

(1.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西省太原市，030024；2.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西省太原市，030024)

基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動排水系統(tǒng)研究與設計

柯書國1張紅娟1靳寶全2高 妍1薛 瑄2

(1.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西省太原市，030024；2.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西省太原市，030024)

針對煤礦巷道積水點分散、人工巡檢效率低、常用的主分站通信方式布線工作繁瑣和成本較大等問題，研究與設計了基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動排水系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的總體方案設計、監(jiān)控點硬件結構設計、通信系統(tǒng)電路設計和通訊軟件設計。通過對系統(tǒng)進行測試表明，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)礦井積水點的實時遠程監(jiān)測、各監(jiān)控點的信息查詢、參數(shù)修改、沿途異常點報警和自動排水等功能，系統(tǒng)工作穩(wěn)定且信息交互可靠。

CAN總線 主分站一體化 自動排水系統(tǒng)

AbstractTo solve the problems such as the disperse roadway ponding points, low efficiency of the manual routing inspection, the tedious wiring work of the common communication mode of master station and substation and large cost, coal mine automatic drainage system of master station and substation integration based on CAN bus was studied and designed, the system's whole scheme design was analyzed, and its monitory point hardware structure design and communication system circuit design were introduced, and the system's communication software design was elaborated. The system test results showed that the system could realize real-time remote monitoring of mine ponding points and information search, parameter modification, outliers alarm on the way and automatic drainage of each monitoring point, the system worked stably and the information interaction was reliable.

KeywordsCAN bus, integration of master station and substation, automatic drainage system

煤礦水害作為煤礦五大地質災害之一，具有分布分散、環(huán)境多變和管理智能化不足等特點，嚴重制約著煤礦的安全和高效發(fā)展。目前，國內仍有較多煤礦依靠巡檢人員觀測水倉水位變化和人工手動啟停水泵排水，這樣不僅工作繁瑣，而且容易由于人員巡檢不及時或誤操作造成煤礦安全事故；部分礦井巷道雖然采用水位傳感器和繼電器聯(lián)動控制水泵的啟停，但是無法實現(xiàn)水泵的遠程監(jiān)控和參數(shù)修改；井下無線通信雖無需布設線路，但是存在抗干擾能力弱、穩(wěn)定性差、維護困難和傳輸距離短等問題；傳統(tǒng)的煤礦自動排水系統(tǒng)大多采用分站組網(wǎng)和主站集中監(jiān)控的控制方式，但是各個分站到主站之間具有布線繁瑣、成本較高、主站位置相對固定以及不宜變更等問題。

針對以上問題，本文設計了基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有總監(jiān)控點的靈活切換以及不受空間限制等優(yōu)點，各個監(jiān)控點通過CAN總線、礦用以太網(wǎng)和信息的共享實現(xiàn)煤礦的智能控制，從而提高煤礦排水的自動化水平。

1 系統(tǒng)總體方案設計

基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動排水系統(tǒng)總體設計結構示意圖如圖1所示。

圖1 基于CAN總線的煤礦自動排水系統(tǒng)總體結構示意圖

由圖1可以看出，系統(tǒng)中各個傳感器將采集到的水位數(shù)據(jù)和水泵啟停信息傳輸?shù)奖O(jiān)控點和地面上位機，進行實時的顯示、監(jiān)測和報警，監(jiān)控點經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理，合理地控制水泵的運行狀態(tài)，工作人員可通過監(jiān)控點和地面監(jiān)控中心及時了解監(jiān)控點的水位信息，及時作出相關應對措施，避免煤礦事故的發(fā)生。監(jiān)控點之間通過CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸，工作人員可通過觸摸、紅外遙控或按鍵操作，在任何一個監(jiān)控點上查詢其他監(jiān)控點的水位信息，修改水位報警和水泵啟停動作值。該系統(tǒng)中每個監(jiān)控點根據(jù)煤礦井下現(xiàn)場需要，可以設置切換主分站狀態(tài)，該系統(tǒng)中只能設置一個總監(jiān)控點，不同監(jiān)控點間通過設置地址加以區(qū)分，作為主分站一體的監(jiān)控點保留了其他監(jiān)控點的所有功能，同時它采集所有監(jiān)控點水位信息，并把各個監(jiān)控點的水位信息、設備運行狀態(tài)及水泵動作值通過礦用以太網(wǎng)上傳到地面上位機，便于地面人員集中監(jiān)控。

2 監(jiān)控點硬件結構設計

監(jiān)控點采用的STM32F407ZGT6(以下簡稱STM32F407)作為主控制芯片，該芯片集成了FPU和DSP指令，并具有1024 KB FLASH、192 KB SRAM、12個16位定時器、2個CAN、2個32位定時器、6個串口、3個SPI及112個通用I/O口等，最高頻率高達 168 MHz，完全能夠滿足該系統(tǒng)的通信、采集和控制功能。該系統(tǒng)以STM32F407為核心，設計了水位和水泵開停信號識別電路采集水位信息和水泵運行狀態(tài)信息，設計了水泵啟停控制、報警和紅外電路控制水泵啟停和異常報警，集成了CAN和以太網(wǎng)接口供監(jiān)控點之間以及監(jiān)控點與地面上位機之間信息交互。

2.1 水位信號采集電路設計

監(jiān)控點的水位測量采用的是本安類型的電容式液位傳感器，該傳感器輸出的是200～1000 Hz的頻率信號，頻率信號與水位值近似呈線性關系，水位信號采集電路圖如圖2所示。

圖2 水位信號采集電路圖

由圖2可以看出，水位傳感器傳輸?shù)念l率信號先經(jīng)光耦電-光-電轉換隔離，再經(jīng)過反相觸發(fā)器整形處理成方波信號后由PE1或PE2引腳輸入到主控芯片STM32F407的通用I/O引腳上，頻率信號和水位值一一對應，經(jīng)公式(1)換算即可得到實時水位值：

(1)

式中：X——實時水位值，m；

K——水位傳感器的測量量程，m；

f——頻率信號，Hz。

2.2 水泵運行狀態(tài)信號采集電路

監(jiān)控點水泵運行狀態(tài)檢測是利用礦用開停傳感器的電磁感應來間接地測量水泵的工作狀態(tài)。水泵有正常工作、停止工作、斷電或故障這3種運行狀態(tài)，正常工作時，開停傳感器感應出50.5 mA的電流使光耦的發(fā)光二極管D3、D4導通，PE9和PE10的I/O口均輸出高電平；停止工作時，開停傳感器感應出的1 mA0.2 mA 電流僅使光耦的發(fā)光二極管D3導通，PE9 I/O口輸出高電平，PE10 I/O輸出低電平；斷電或故障時，PE9和PE10 I/O口均輸出低電平。主控芯片可根據(jù)I/O口不同的電平判斷水泵的運行狀態(tài)。開停信號采集電路圖如圖3所示。

圖3 開停信號采集電路圖

2.3 水泵的啟停信號采集電路

水泵的啟停由電磁啟動器控制，電磁啟動器可切換到遠程控制模式。監(jiān)控點的控制信號由PB3 I/O口發(fā)出經(jīng)光耦電-光-電隔離，放大后通過控制繼電器閉合來控制電磁啟動器的開停，從而控制水泵的啟停。當PB3 I/O口輸出低電平時，三極管Q1導通，繼電器線圈通電，繼電器公共端與常開觸點吸合。當PB3 I/O口輸出高電平時，繼電器不動作。電磁啟動器并聯(lián)反向續(xù)流二極管D5，防止三極管由導通關斷切換時損害線圈。繼電器控制電路圖如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路圖

報警電路也是由監(jiān)控點的控制信號經(jīng)光耦電-光-電轉換隔離，放大后通過控制繼電器閉合來控制報警裝置報警。該系統(tǒng)中水泵的啟停設有自動模式和手動模式兩種方式，自動模式下，當監(jiān)控點兩路水位任何一路達到低水位啟動值，STM32F407輸出低電平啟動一個水泵排水，當積水點水量較大且水位繼續(xù)上升到高水位點時，STM32F407輸出兩路控制信號啟動兩個水泵同時排水，同時報警裝置報警提醒工作人員，到液位恢復正常時，STM32F407輸出高電平關閉水泵。手動模式是為了防止裝置或水位傳感器故障時，可通過按鍵操作來控制繼電器閉合。

2.4 液晶顯示模塊

顯示模塊選擇的是TFTLCD 16位真彩液晶顯示器，TFTLCD 自帶觸摸屏，并且其功耗和對比度等整體性能比常規(guī)顯示器都有很大優(yōu)勢，該系統(tǒng)選用的TFTLCD屏為2.8英寸，分辨率為320×240 dpi。這里用STM32F407自帶的FSMC驅動TFTLCD顯示，TFTLCD的讀寫時間不同，F(xiàn)SMC的模式A支持獨立的時序控制，初始化時只要配置一次，就可滿足不同的讀寫時序。液晶模塊與FSMC采用16位并行連接，處理速度快，用戶可以通過按鍵或紅外操作界面。

3 通信系統(tǒng)電路設計

3.1 以太網(wǎng)電路設計

為了開發(fā)方便，采用STM32F407和W5500以太網(wǎng)控制器完成以太網(wǎng)模塊設計，W5500支持TCP/IP協(xié)議，集成了10/100 M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層及以太網(wǎng)接口，配置32 K字節(jié)緩存供報文處理，用戶操作Socket寄存器就能實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。W5500提供了SPI外設串行接口，通信速度高達80 MHz，從而能夠更好的實現(xiàn)與外設MCU的高速網(wǎng)絡通訊。以太網(wǎng)電路連接示意圖如圖5所示，其中STM32F407的PB3引腳連接W5500的SCLK引腳，用于接收時鐘信號；PB14引腳連接W5500的SCSN引腳，作為片選信號；PB4引腳連接W5500的MISO引腳，作為W5500向STM32F407發(fā)送數(shù)據(jù)引腳；PB5引腳連接W5500的MOSI引腳，作為W5500接收STM32F407數(shù)據(jù)引腳；RJ45接口選用的是自帶網(wǎng)絡變壓器的HR911105A，通過RJ45接口與以太網(wǎng)連接。

3.2 CAN總線通信設計

監(jiān)控點CAN接口包括CAN控制器和收發(fā)器，STM32F407芯片內嵌有CAN控制器bxCAN。bxCAN支持協(xié)議2.0A和2.0B。它可以對接收到的報文進行處理，減小CPU負荷，完成報文收發(fā)的仲裁與控制的設置。CAN收發(fā)器采用自帶隔離的芯片TD501DCANH3，內部集成有隔離電源及收發(fā)器件，可實現(xiàn)與總線2500VDC的電壓隔離，將邏輯電平轉換成總線的差分電平，實現(xiàn)器件的隔離保護。該模塊體積小，方便實現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡的連接。CAN收發(fā)電路連接示意圖如圖6所示，其中STM32F407的CAN控制器中PA11和PA12引腳分別與CAN收發(fā)器的收發(fā)引腳連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)；CAN收發(fā)器的起止端都接有120 Ω的終端電阻，來做阻抗匹配，以減少回波反射，增強通信的可靠性和抗干擾能力。

圖5 以太網(wǎng)電路連接示意圖

圖6 CAN收發(fā)電路連接示意圖

4 井上井下通訊軟件設計

4.1 井上井下以太網(wǎng)軟件設計

STM32F407和W5500之間通過SPI傳輸數(shù)據(jù)，井上井下信息交互前，先對STM32F407的相關硬件初始化，調用庫函數(shù)SPI_Init()設置SPI的通信方式和波特率等相關參數(shù)配置，STM32F407通過SPI_I2S_SendData()函數(shù)向W5500寄存器寫入命令或數(shù)據(jù)，通過SPI_I2S_ReceiveData()讀取W5500的接收緩存中數(shù)據(jù)，確定井上上位機與井下監(jiān)控點間是否建立TCP連接，當W5500的接收緩存檢測到有數(shù)據(jù)傳入，經(jīng)過初步報文幀幀頭剝離處理，STM32F407讀取處理后的報文，繼續(xù)剝離MBAP報文頭部讀取上位機數(shù)據(jù)及功能碼。STM32F407根據(jù)讀取到的數(shù)據(jù)要求完成相關操作，并把上位機要求的信息加上MBAP報文頭通過SPI幀發(fā)送到W5500的發(fā)送緩存。若TCP連接，W5500自動完成相關設置發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機，數(shù)據(jù)發(fā)送完成釋放TCP連接，等待下一次數(shù)據(jù)發(fā)送或接受。井上井下通訊流程圖如圖7所示。

4.2 監(jiān)控點間CAN總線軟件設計

井下監(jiān)控點之間通過CAN總線交互，首先對STM32F407初始化，通過庫函數(shù)CAN_Init()設置CAN的工作模式及波特率等參數(shù)；監(jiān)控點能否接收到有效報文，取決濾波器的設置，通過CAN_FilterInit()函數(shù)設置濾波器的過濾器名和關聯(lián)FIFO等。當監(jiān)控點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，由庫函數(shù)CAN_Transmit()添加ID、數(shù)據(jù)長度和消息類型等報文信息并發(fā)送到空置郵箱。郵箱為優(yōu)先級別最高時進入預約發(fā)送狀態(tài)，繼續(xù)等待總線滿足發(fā)送條件時發(fā)送報文幀。位于CAN總線上的監(jiān)控單元接收CAN總線的報文幀，通過過濾器的CAN報文幀為有效報文幀并存入接收郵箱的一個FIFO中，STM32F407讀取FIFO中的CAN報文，根據(jù)報文要求完成相關操作，等待下一次發(fā)送或接受CAN報文。CAN通訊流程圖如圖8所示。

圖7 井上井下通訊流程圖

5 系統(tǒng)測試與結果分析

對水倉水位的正確采集、傳輸和繼電器的及時無誤閉合是基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動排水系統(tǒng)正常工作的關鍵。在實驗室的條件下測試了水位和繼電器的聯(lián)動試驗，水位傳感器的測量量程K為0.95 m，程序設置系統(tǒng)的繼電器動作值為0.68 m，當試驗采集的水位頻率信號為334.45 Hz時，根據(jù)公式(1)計算得出實時水位值為0.16 m，未達到系統(tǒng)動作值，繼電器線圈電壓約為0 V，繼電器不動作；當試驗采集的水位頻率信號為775.19 Hz時，根據(jù)公式(1)計算得出實時水位值為0.68 m，達到系統(tǒng)動作值，線圈電壓約為14.28 V，繼電器吸合。改變繼電器動作值，對其他水位進行測試，試驗表明當達到水位動作值時，繼電器能夠及時準確地吸合。

圖8 CAN通訊流程圖

6 結語

基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動排水系統(tǒng)是在實驗室原有完成項目——礦井巷道水監(jiān)測、預警及自動控制系統(tǒng)基礎上的改進優(yōu)化，原系統(tǒng)已在山西晉煤集團趙莊煤礦投入運行，新系統(tǒng)的主分站一體化結構與傳統(tǒng)的分站組網(wǎng)主站集中監(jiān)控方式，具有有效避免各個分站到主站的布線、簡化排水系統(tǒng)結構以及節(jié)省煤礦開支等優(yōu)點。試驗表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠，總監(jiān)控點設置不受空間限制，提高了煤礦排水的智能化水平。煤礦井下特殊環(huán)境中對系統(tǒng)應用的可靠性、穩(wěn)定性和通訊的抗干擾能力都有新的要求，后期還要針對煤礦井下的實際情況對本系統(tǒng)做近一步的研究和完善。

[1] 李德安. 中國煤礦水害及防治對策探討[J]. 煤田地質與勘探, 1997(S1)

[2] 袁小東, 鄧先明, 王冬冬等. 基于以太網(wǎng)的煤礦排水綜合自動化系統(tǒng)[J]. 工礦自動化, 2009(7)

[3] 劉映群. 煤礦井下自動排水遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計[J]. 中國煤炭, 2014(3)

[4] 劉保東, 劉霖. 基于PLC技術的礦井水泵房自動排水系統(tǒng)設計[J]. 中國煤炭, 2017(1)

[5] 魏景新, 靳文濤. 基于ZigBee技術的煤礦井下自組網(wǎng)定位系統(tǒng)設計[J]. 中國煤炭, 2017(3)

[6] 崔柳, 王占飛, 熊鷹. 神東礦區(qū)井下萬兆以太環(huán)網(wǎng)的設計與應用研究[J]. 中國煤炭, 2017(3)

[7] 羅旭輝, 郭楠. 煤礦排水系統(tǒng)自動控制技術的研究與應用[J]. 煤炭加工與綜合利用, 2015(1)

[8] 李晉華, 邱春玲, 田地等. 基于CAN總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 吉林大學學報(信息科學版) , 2004(2)

(責任編輯 路 強)

ResearchanddesignofcoalmineautomaticdrainagesystemofmasterstationandsubstationintegrationbasedonCANbus

Ke Shuguo1, Zhang Hongjuan1, Jin Baoquan2, Gao Yan1, Xue Xuan2

(1.College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China; 2.Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System, Ministry of Education and Shanxi Province, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

TD67

A

山西省科技基礎條件平臺項目(201605D121028)

柯書國，張紅娟，靳寶全等. 基于CAN總線的主分站一體化煤礦自動排水系統(tǒng)研究與設計[J].中國煤炭，2017，43(9)：84-89. Ke Shuguo, Zhang Hongjuan, Jin Baoquan，et al. Research and design of coal mine automatic drainage system of master station and substation integration based on CAN bus [J].China Coal，2017，43(9)：84-89.

柯書國(1990-)，男，河南信陽人，在讀研究生，主要研究方向為電氣智能控制。