基于 uCAN总线的矿山压力监测远程传输解决方案

付东波

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

基于 uCAN总线的矿山压力监测远程传输解决方案

付东波1,2

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

针对煤矿矿山压力监测的环境参量的特点及监测手段和方法不规范等现状,在目前应用较广的 CAN总线的基础上提出一种 uCAN总线,通过增强 CAN总线硬件收发器的发送信号强度与降低通讯速率来改善 CAN总线远程数据传输的通讯质量,进而提出矿山压力监测系统的解决方案。实际应用表明,这种解决方案通讯距离长、数据准确可靠,是一种可选的矿山压力监测解决方案。

uCAN总线;矿山压力;远程传输;监测;现场总线

煤矿开采中,随着采掘深度的不断加大,矿山动力灾害的显现愈加明显,矿山压力监测作为保证安全生产和对动力灾害的常规监测,越来越得到各大煤矿的重视,应用越来越普遍。目前矿山压力监测的内容包括：综采工作面支架工作阻力监测、围岩顶板运移监测、锚杆锚索载荷监测和煤岩体应力监测等。这样的监测多采用直接读取传感器数据或便携式装置读取等离线方式。近几年来,随着科学发展和技术进步,矿山压力监测逐渐实现井下到地面的远程传输和实时监测。矿井安全监控系统在煤矿应用较为成熟,但远程传输方式并不统一,如RS485总线、CAN总线、光纤以太环网等。本文提出一种适应矿山压力监测特点的远程传输方案,基于 CAN总线理论,着重增强了 CAN总线的硬件收发能力并提出一套完整的通讯协议。由于方案仅应用 CAN总线的物理层,应用的通讯协议为自定义协议,则称方案中的总线为 uCAN总线,称系统为 uCAN总线系统。同时,针对矿山压力的数据特点开发相应的软件平台,得到一套完整的矿山压力监测远程传输的解决方案。

1 uCAN总线的特点

CAN (ControllerArea Newwork控制器局域网)总线的应用已经非常广泛。作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式,已经应用到多个领域。其特点主要有：高总线利用率、高达 10km数据传输距离、高速数据传输速率、多主结构依据优先权进行总线访问、可靠的错误处理和检错机制、通讯介质支持双绞线、同轴电缆或者光纤等。CAN总线在煤矿应用越来越多,但煤矿井下条件复杂、巷道横纵交错、工作面实时推进、供电困难,给总线布置和传输带来困难。从实现通讯功能上,CAN总线常常会在分支或分叉处难以保证通讯性能,依靠增加中继器在有些矿井仍然难以实现良好的性能。

矿山压力监测系统有其不同于矿井安全监控系统的特点。首先,在煤矿里,矿山压力监测与安全监测由不同部门进行管理,矿山压力监测常常在初采后进行,那时安全监控系统已经开始运行。重新布线或调整已有电缆较为困难;其次,矿山压力监测系统监测的物理量,如煤岩体应力、锚杆锚索载荷、顶板下沉等,多数是缓慢的连续变化的参量,对数据传输速率要求不高,但是一旦监测结果报警,可能会发生严重的动力灾害,因此,必须实时监测。针对以上 CAN总线和矿山压力监测的特点,本文提出的远程传输的矿山压力监测解决方案有以下特点：

(1)uCAN总线收发器采用嵌入式模块,独立于采集数据电路板,有利于系统扩展。而且总线与监测节点隔离供电保证了 uCAN总线的通讯安全。

(2)降低通讯速率为 2400bps或 1200bps,同时增强总线发射驱动能力,保证 10km以上数据传输距离。

(3)针对不同矿井,uCAN通讯线路的匹配电阻采用可调节方式,保证分支部分正常通讯。

(4)对传输电缆要求低,电话线、电缆线、双绞线都能进行传输。

2 硬件方案

矿山压力监测系统从功能上划分可以分为多个监测子系统：综采工作面支架工作阻力监测、围岩顶板监测、锚杆锚索载荷监测和煤岩体应力监测等,各个监测子系统采用不同的监测设备。uCAN总线上共有 3种类型的设备：管理节点、监测节点和中继器。管理节点相当于系统通讯协议中的主机,实际设备为地面工控机等。监测节点相当于系统通讯协议中的从机,实际设备包括支架压力记录仪、压力监测分站、位移监测分站等连接在总线上的节点。管理节点和监测节点通过系统通讯协议完成数据的远程传输。中继器的主要作用是延长系统的通讯距离。

一般来说,CAN总线在分支或分叉处要进行特殊的处理,uCAN总线系统主要通过 2种方式解决,一是在监测节点和中继器内部嵌入 uCAN总线收发器,增强数据传输质量;二是在中继器中增加匹配电阻,延长总线分支部分的通讯距离。通常CAN总线的收发器由 CAN总线收发芯片 82C250和其外围电路组成。uCAN总线收发器增加了发送信号钳位电路和接收信号抑制电路,从而保证信号传输的质量。

3 软件方案

uCAN总线主要使用了一套自定义协议,版本为 uCAN1.0A协议,是 OSI模型第 7层上的应用层报文传输协议,主要用来在基于串行总线网络在监测分站 (或传感器)与高端设备 (上位机)之间实现数据传递。uCAN1.0A具有主/从通讯功能,是一个请求 /应答协议。

uCAN1.0A使用帧通讯,帧结构如表 1所示。

表1 uCAN1.0A帧结构

帧的类型主要有命令帧、参数设置应答帧、上传数据应答帧等。

命令帧为主机使用,主要传递通讯命令。命令帧结构定义如表 2。

表2 命令帧结构

参数设置应答帧为从机使用,主要传递应答数据。参数设置应答帧结构定义如表 3。

表3 参数设置应答帧结构

上传数据应答帧为从机使用,应答上传数据命令,上传从机保存采样数据。上传数据应答帧结构定义如表 4。

表4 上传数据应答帧结构

其中,从机类型由系统中监测分站类型决定,“1”为支架压力记录仪,“2”为压力监测分站,“4”为位移监测分站。

通讯流程如下所示：

主机：0xaa 0xff从机号‘S’ 校验和 (TB8=1) 开始通讯

从机：(S M2∶1-0)

主机：0xaa 0xff从机号‘D’校验和 (TB8=0) 读取实时数据

从机：0xaa 0xff从机号 返回数据 校验和(S M2=0) CCR I

主机：0xaa 0xff从机号‘A’校验和 (TB8=0) 读取参数信息

从机：0xaa 0xff‘A’从机号 返回数据 校验和 (S M2=0)

主机：0xaa 0xff从机号 ‘P’校验和仪器编号传感器参数 校验和 2(TB8=0) 设定参数

从机：0xaa 0xff‘P’从机号 返回数据 ‘O’或 ‘E’或 ‘T’ 校验和 (S M2=0)

主机：0xaa 0xff从机号 ‘E’ 校验和(TB8=0) 结束通讯

从机：(S M2∶0-1)

4 应用实例

基于 uCAN总线的矿山压力监测系统已经在现场广泛使用,并取得了良好的效果。

山西潞安集团某矿安设的监测系统用于实时监测 2302工作面支架工作阻力和 1306工作面两巷锚杆 (索)受力以及顶板离层量。

2302工作面液压支架工作阻力监测共分为 8个测站,每个测站包括 2个测点,共 16台支架压力记录仪;将 1306工作面运输巷和轨道巷各分为19个顶板位移量观测站,11个锚杆 (索)测力计观测站,一般地段间距为 50m,地质构造地段测站适当加密;系统中继器放在 3号变电所内。系统测站布置如图 1所示。

根据大量的实时监测结果可以得出：

(1)2302工作面周期来压步距为 9～11m,平均为 10.4m;影响时间为 1～3d,平均 1.6d,动载系数为 1.27～1.88,平均 1.42。

(2)通过对 48台锚杆测力计的监测数据分析表明,轨道巷锚杆受力的平均值为 55kN,运输巷锚杆受力平均值为44kN,监测锚杆受力总体平均值为 50kN,其中受力小于 80kN的锚杆根数占监测锚杆总数的 89.7%。

图1 系统测站布置

(3)通过对 16台锚索测力计监测结果分析表明,轨道巷锚索受力的平均值为 70kN,运输巷锚索受力平均值为 32kN。监测锚索受力总体平均值为 52kN,其中受力小于 100kN的锚索根数占监测锚索总数的 85.7%。

其中,30号支架工作阻力实测曲线如图 2,锚杆测力计及顶板位移数据如表 5及表 6。

图2 30号架工作阻力

表5 锚杆受力

续表

表6 顶板位移实测值

5 结论

本文提出一种基于 uCAN总线的矿山压力监测远程传输解决方案。该方案在 CAN总线收发器硬件电路里增加发送信号钳位和接收信号抑制电路,提高了通讯传输质量,为系统数据的远程传输提供了安全、可靠的物理层保证。而且方案提出一套适用于矿山监测的通讯协议,为矿山监测系统规范化和数字化提供了必要的手段。针对矿山压力监测的特点,矿山压力监测的物理量对传输速率要求不高,但对数据可靠性有较高要求,解决方案降低传输速率保证数据传输距离以提高数据传输可靠性;矿山压力监测多数在工作面开采后安装布置,分支分叉较多,解决方案中设计增加中继器和设置可调匹配电阻保证数据通讯性能。根据大量的实际应用表明,这种解决方案简单易行、监测得到的数据准确可靠,具有良好的应用价值。

[1]付东波,齐庆新,秦海涛,等.采动应力监测系统的设计[J].煤矿开采,2009,14(6)：13-16.

[2]齐庆新,窦林名.冲击矿压理论与技术 [M].徐州：中国矿业大学出版社,2008.

[3]孙继平.矿井安全监控系统 [M].徐州：中国矿业大学出版社,2006.

Long-distance Transm ission Solution of Underground Pressure M on itoring Data Based on UCAN Bus

FU Dong-bo1,2
(1.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

A iming at environment parameter characteristic of underground pressure and lack of standardization in monitoringmethods,this paper presented an uCAN bus from popular CAN buswhich improved communication quality of long-distance trans mission of CAN bus by strengthening emit signal strength of CAN bus transceiver and reducing communication rate.It further presented solution of underground pressure monitoring system.Practical application showed that the solution was a selectable underground pressure monitoring method for its long-distance trans mission and accurate and reliable data.

uCAN bus;underground pressure;long-distance transmission;monitoring;fieldbus

TD326

A

1006-6225(2010)04-0121-04

2010-06-24

付东波 (1978-)女,黑龙江大庆人,工程师,主要从事矿山压力监测仪器及系统的研制和开发。

王兴库]