一种便利实用的矿井安全监测系统

朱理望,徐建波,叶 强,陈斌涛

(湖南科技大学 计算机科学与工程学院,湖南 湘潭 411201)

以保障员工人身安全为中心的安全生产是煤炭行业永恒的主题,研制新型的安全监控和人员定位系统是保证矿井和人员安全,并在突发事件后实现快速救援的重要手段。以往已投入运行的矿井安全监测/监控系统大多只是监控了矿井各区域的环境参数,对于安全状况只能进行预报和告警,事故突发之后,由于员工的位置和状况不明,往往难以快速地组织有效的救援;有的监控系统只是对井下人员和机车进行定位和控制,对矿井和人员的安全状况不能给出预警,没有做到防患于未然。因此,将矿井的环境监测和井下人员/机车的定位相结合,采用先进技术,建立一套完善的包括全面环境监测和人/车定位控制的矿井综合监测系统,无疑将有利于提高煤矿矿井的安全监测和预警水平,增强突发事故的应急处理能力,并促进整个煤炭行业安全生产监控的自动化、智能化和信息化。

1 矿井安全监测系统的总体架构

1.1 安全监控技术的研究

近年来,我国的矿井安全监测与监控技术得到了迅速的发展,各种技术装备为保障煤矿企业的安全生产发挥了重大的作用,但也有所不足[1-2]。归纳起来,以往已投入运行的监测/监控系统存在的缺陷主要有:

1)井下分站主要用于对井下瓦斯的监控,或者是对包括瓦斯浓度的环境安全参数和设备的开/停状态进行监测监控,许多重要的环境参量和生产运行状况并没有被列入监测监控范围。

2)很多安全监控系统的主干网络是基于RS-485总线,传输距离和传输速度十分有限。根据新的煤炭行业标准:井下分站与井下分站之间、井下分站与井上主机接口之间的传输距离在不加中继的情况下应不小于10 km,因此,传统485总线在传输距离和挂载数量等技术指标己无法满足相关要求。

3)绝大多数井下分站一般只涵盖了环境参量和生产运行状况的监测/监控,而可在事发后指示最佳救援路线,为抢救和疏散人员与器材提供决策的人/车定位监控系统则需重新投资建设,由于信息不畅,也无法保证监控与救援工作的有效协同。

1.2 安全监测系统的总体架构

根据国家安全生产监督管理总局发布的《煤矿安全监控系统通用技术要求》和相关技术标准[3],为了较好地解决以往监测监控系统存在的主要问题,为煤矿企业提供一个既包括全面环境监测又具备人/车定位管理功能的矿井综合监测平台,本文将电子技术、数字通信技术与计算机技术相结合,采用智能传感器作为现场检测设备,构建矿井安全监测系统的总体框架,如图1所示。

图1 监测系统的总体结构

系统主要由地面监控中心站(主机)、监测分站、智能传感器、电子标签读写器等测量与监控模块,以及断电控制器等配套设备组成。在距离较远的监控中心站与各监测分站之间采用CAN总线的通信方式,CAN(控制器局域网)总线协议最早是由德国BOSCH公司为解决汽车控制部件和测量仪表之间的数据交换而开发的一种串行通信协议[4],现已应用到交通、国防、工程、工业、安防等众多领域。CAN是一种多主站总线,最远传输距离10 km,最大通信速率1 Mbps。由于现有智能传感器产品大多配备RS-485总线接口,没配备CAN总线接口,RS-485总线在不加中继器的情况下,最远传输距离可达1 200 m,可以覆盖一个巷道或一个开采面/掘进面,因此,综合考虑技术的可行性和造价的适宜性,在距离较近的监测分站与智能传感器之间可采用RS-485总线进行通信。传感器的种类可包括瓦斯(甲烷)浓度、C0浓度、水压,水位、井壁与巷道面的位移与应力、温度、湿度、风速、负压等等[5]。

2 监测分站的设计与实现

2.1 监测分站的组成结构

监测分站是整个矿井安全监测/监控系统的核心,根据监测系统的总体方案和监测分站的功能需求,监测分站可划分为主控模块、I/O模块、人机对话功能部件等部分[6],具体由单片机(MCU)系统、与井上监控主机通信的CAN总线接口电路、与智能传感器通信的RS-485总线接口电路、用于存放人/车信息的FLASH存储器以及用于检测和控制重要设备和断电控制器的I/O接口、人-机对话输入与显示部件等部分组成。人-机对话的输入采用遥控和键盘2种方式,配合LCD(液晶)的显示信息,可方便地浏览传感器的实时测量数据、告警信息及其配置参数,同时也能对分站设备、传感器通道相关参数进行设置,还可通过相应的操作实现本地设备的断电闭锁与解锁。组成结构如图2所示。

图2 监测分站的组成结构

2.2 监控分站的硬件设计

2.2.1 关键器件的选型

1)微处理器

微处理器(MCU)可采用Atmel公司的AT89S55单片机,它是一款低功耗、高性能的微控制器,内嵌20K程序存储器,已被众多嵌入式系统广泛采用。

2)FLASH存储器

分站采集的监测数据和人/车位置信息在上传至中心站之前必须在存储器保存,由于AT89S55的I/O端口数量有限,所以可选用串行FLASH存储器,AT24C64是一款8KB的串行低功耗E2PROM,通过I2C总线接口与AT89S55通信,可选择采用。

3)CAN总线控制器与收发器

NXP公司的SJA1000是广泛应用于汽车和工业环境的独立CAN总线协议控制器,具有完成CAN通信协议所要求的全部特性,经过简单的总线连接即可实现CAN总线物理层与数据链路层的所有功能。它全面支持BasicCAN模式(CAN2.0A协议)和增强的PeliCAN模式(CAN2.0B协议);与之配合的CAN总线收发器PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线之间的接口,提供双向的差动收/发能力。

2.2.2 CAN总线通信接口的设计

CAN总线通讯接口是监测分站与井上监控主机,以及监测分站之间相互联系的通信平台。采用CAN控制器SJA 1000、CAN收发器PCA82C250及光电隔离芯片6N137和微处理器AT89S55的CAN总线接口的电路结构如图3所示。

图3 CAN总线接口的电路结构

微处理器AT89S55主要对CAN控制器SJA1000进行初始化设置和报文收发处理,AT89S55与SJA1000的连接电路如图4所示。

图4 AT89S55与SJA 1000的连接电路

CAN收发器PCA82C250用来建立CAN总线通信协议的物理层,以实现数据和传输电平之间的相互转换。它通过电平传输端口CAN-H和CAN-L直接接入CAN总线信号传输电缆,采用6N137器件与CAN独立控制器SJA1000进行光电隔离,微处理器AT89S55与CAN独立控制器SJA1000的连接电路如图4所示,CAN总线的接口电路如图5所示。

为了增强CAN节点的抗干扰能力,SJA1000的TX0和RX 0通过高速光耦器件6N137再与PCA82C250相连。电源VCC和VDD是相互隔离的两路电源。这样就实现了总线上各CAN节点间的电气隔离,有效消除了传输网络和节点之间的相互干扰,从而确保了CAN节点的稳定性和安全性。

PCA82C250与CAN总线的接口部分也采用了安全和抗干扰措施,PCA82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5.1Ω的电阻与CAN总线相连,可保护PCA82C250免受过电流的冲击,CAN-H和CAN-L与地之间分别并联一个1 000P的电容,用来滤除总线上的高频干扰。

图5 CAN总线的接口电路

2.2.3 MCU端口复用电路

由于微处理器AT89S55的端口有限,而监测分站需要处理I/O信号较多,因此,决定采用端口复用电路来实现由AT89S55对以下I/O信号的处理。

1)按键输入信号:K1～K8。

2)LCD控制信号:D0～D7,RS,R/W,E。

3)实时时钟DS1302控制信号:串行时钟线SCLK,控制线RST。

4)继电器驱动信号:O1～O4。

5)外部设备频率输入信号:F-STR。

6)断电仪控制信号:PWM。

7)EEPROM串行时钟信号:SCL。

8)8路外部设备选择信号(用于三—八译码):ADD0,ADD1,ADD2。

端口的复用可采用三态门器件,当MCU需要处理有关任务时,则可选通相应的三态门。经过分析,若采用含8个三态门的器件(74LS244/74LS373),以上信号可分为4组,这些三态门器件(D1、D2、D3、D4)的选通信号ST可由MCU的端口(P2)发出。电路的逻辑框图如图6所示。

图6 端口复用电路框图

2.2.4 外设信号监测电路

为了正确识别外部设备送来的频率信号,并确保电路工作的可靠性与安全性,必须信号进行光耦隔离处理,因此,外设信号监测电路主要实现信号电气隔离(U6)、信号整型和信号放大等功能,外设频率信号监测电路的设计如图7所示。

图7 频率信号输入整形电路

外部设备送来的频率信号(8路)从端口J18～J25输入,分别与数据多路选择器U13的D0～D7端口连接,在单片机输出使能信号(F-STR)和外设选择信号(ADD0～ADD3)之后,通过U13的八选一功能,将选通的输入信号经U13的Y端口进入滤波整型电路,整型后的信号再输入到光耦芯片(U6)的IN端口,经光电转换后由OUT端口输出到单片机。

2.3 监控分站的软件设计

2.3.1 监测分站主程序

监测分站主程序的任务是完成系统的初始化,采集和上传测量数据和人车信息,处理CAN总线接口送达的有关命令,任务的处理流程如图8所示。

分站板需执行的命令函数主要包括:

1)向智能传感器发布上传数据的命令函数;

2)分站数据上传到监控主机的命令函数;

3)执行监控主机发布的断电/复电的命令函数。

图8 分站板主程序流程

2.3.2 CAN接口通信程序

1)报文数据包的发送

CAN总线控制器SJA 1000先判断发送缓冲区内的报文是否已发送完毕,如果发送缓冲区已经空闲,则将本分站采集到的监测信息写入到CAN控制器SJA1000的发送缓冲区,然后置位SJA1000的命令寄存器,请求发送报文数据包,如图9所示。

2)报文数据包的接收

CAN总线控制器SJA1000收到报文(消息)后先通过验收滤波器再放入接收FIFO缓冲,产生一个接收中断并将状态寄存器的接收缓冲器状态标志位置位。微处理器进入中断处理后,将报文读入到自身的RAM存储器,然后置位SJA1000的命令寄存器的释放缓冲区标志以释放缓冲器。

2.3.3 人/车识别定位功能的设计与实现

人/车识别定位子系统可由监测分站和适合井下应用的射频识别(RFID)读写器及相应的电子标签(卡)构成[7]。读写器完成射频卡信息的识别和处理,通过RS-485接口上传到监测分站,再由监测分站通过CAN总线上传到井上的监测中心站,最后由监测主机的软件来实现井下人员/车辆的定位管理功能。

RFID电子标签与读写器应能适应矿井下恶劣环境,满足识别远距离、高可靠性、高抗干扰性与抗震防爆的要求,经过技术分析和比较,可采用木兰电子科技有限公司研制的矿井专用RFID电子标签(ML-T90)与读写器(ML-M800)。

图9 报文发送程序流程

3 监控中心站的软件分析与设计

3.1 软件系统功能的需求分析

根据系统的总体架构,可以将监测中心站(上位机)的软件系统划分为3部分,如图10所示。

1)上位机监控程序子系统

主要实现井上监控计算机与CAN总线的网络通信、采集井下监测数据并写入数据库、系统监控、系统设置等项功能。

2)数据库子系统

实现数据库服务器的功能,管理人员通过局域网可远程访问监测信息数据库。

3)信息发布与远程设置子系统

主要实现煤矿矿井安全监测专用网站的功能,以供各级主管部门和相关人员通过局域网查询与监测矿井的安全与生产状况并进行有关设置。

图10 软件系统的主要功能模块图

3.2 软件系统的设计方法

上位机监控程序主要包括CAN通信、综合监控和系统设置3个基本模块,可采用WinCC组态软件、VC或C#等开发工具设计;数据库子系统和信息发布与远程设置子系统可采用B/S工作模式[8],系统由用户界面层(Browser)、商业逻辑层(Web Server)、数据库服务层(Database Server)构成3层分布式体系结构,采用ASP或JSP进行设计与开发。

4 结束语

本文提出了一种结构合理且技术实用的矿井安全综合监测系统结构,然后完成了监测系统关键设备——监测分站的软硬件设计,最后确定了监测软件系统的总体结构和设计方法,经检测与试用,监测分站基本实现了设计的各项功能,具有性能可靠、功能完备、操作方便等特点,可广泛适用于煤炭行业各类矿井的安全监测与监控。监测分站板实物图片(正反面)如图11所示。

图11 监测分站板实物图

[1] 李玉国.矿井监测监控系统主要问题分析及解决方法[J].煤炭工程,2006,53(9):103-105.

[2] 张国盛,林安栋.矿井监测监控系统的发展历史及趋势[J].煤炭技术,2009,28(2):8-9.

[3] AQ6201-2006.煤矿安全监控系统通用技术要求[S].北京:中国标准出版社,2006.

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

[5] 赵冬青.基于CAN总线的煤矿安全监测系统研究[D].太原:中北大学,2008.

[6] 朱小三.基于CAN总线的煤矿安全监控系统的研究与实现[D].西安:西安电子科技大学,2007.

[7] 徐立军.基于RFID的煤矿井下人员定位系统[D].阜新:辽宁工程技术大学,2006.

[8] 李辉,高攀,麦林,等.基于Web的ITS的研究和实现[J].广西工学院学报,2008,19(4):39-42.