煤矿井下排水泵监控系统的设计

郝 伟，叶 牛

(1.汾西矿业 紫金煤业公司，山西 晋中 031300；2.太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030053)

煤矿井下排水系统是煤矿安全生产的重要系统, 它承担着排出井下全部涌水的任务,是保证煤矿安全生产的关键。同时，排水系统的耗能较高，约占矿井全部用电的13％～18％。因此，有效地控制排水系统，使其低耗、经济、可靠地运行对煤矿安全生产意义重大，也是降低煤炭生产成本的有效途径。

本文根据某煤矿生产实际情况，研究并设计了一种基于C8051F040单片机的煤矿排水泵监控系统，该系统具有传输质量稳定可靠、集成度高、成本低等优点。采用集成CAN总线、A/D、D/A转换功能为一体的单片机C8051F040作为核心控制器，可实时监测井下水仓水位，并采集排水系统的各项运行参数，经过上位机的阈值设置或数据分析后，能进行自动报警或系统调节。系统支持CAN总线和PC监控端通信，使地面人员可以随时监测排水泵的运行参数并进行控制。与传统的采集系统相比，该系统减少了CAN控制器，A/D转换电路等外围器件，简化了电路设计，提高了数据通信的可靠性，同时也减少了开发成本。

1 总体设计方案

该远程监控系统以C8051F040单片机为控制核心，可实现实时监测、自动控制、水仓水位超限报警等功能。排水泵的电压、电流、真空度、润滑油油压、油温等一系列参数可以通过CAN总线发送到客户端上位机数据库，通过PC数据分析后，判断是否出现异常情况。若设备异常，系统自动启停继电器，关闭设备并报警，达到自动保护排水泵的目的。当检测到水位值低于最小水位阈值或高于最大阈值时，系统将进行相应的排水量调整并报警。该系统不仅可以使用户通过上位机查看当前设备运行工况、水位值等参数；并具有实时控制、存储数据功能。另外，还可以根据实际情况重新设置传感器的报警阈值、报警信息等。该总体设计包括：数据采集模块、传输模块、客户端模块3部分。

整个煤矿排水泵监控系统采用了“监控中心—各节点—传感器”的树形总线式网络拓扑结构。井上监控中心室的上位机选用工控机构建，是整个系统检测控制的中心，可实现排水泵运行参数的实时在线监测、控制和管理功能。井下监控子站的下位机CAN节点基于F040的微控制器构建。多个监控子站通过屏蔽双绞线和CAN通信适配卡，实现井 下CAN节点与监控中心上位机之间数据信息的传输。

2 系统硬件电路

针对该系统通信特点，以C8051F040单片机为微处理器，进行外围电路的设计。该电路主要由通信模块和电源电路模块构成，其中通信模块包括串口通信模块、USB-CAN转换电路、电气隔离、光耦隔离等防干扰模块。

在通讯设计中系统硬件设计主要包括CAN控制器、CAN接收器、光耦隔离以及电源隔离等。C8051F040内部已经集成Bosch CAN控制器，无需再配置；CAN接收器选用TJA1050CAN高速收发器，其中CAN协议控制器通过串行数据发送线CANTX和接收线CANRX连接到收发器，收发器通过有差动抗干扰能力的总线终端CANH和CANL连接到CAN-BUS总线收发器，使用+3.8 V额定电源电压，通过控制引脚S可以选择两种工作模式：高速模式和静音模式。这里将引脚S接地或悬空，将TJA1050进入高速模式，使其运行 。光耦隔离选用TLP113贴片方式安装。TJA1050连接图见图1。

图1 TJA1050连接图

井下情况复杂，各种电磁干扰大，会对数据通信产生一定的干扰，所以，应进行总线抗干扰设计：

1) 总线阻抗匹配CAN总线的末端必须连接2个120 Ω的电阻。由于信号传输时，在传输线终端会形成反射波，干扰原信号，所以需要在传输线末端加终端电阻，使信号到达传输线末端后不反射。

2) 为防止TJA1050受到过流冲击，TJA1050的CANH和CANL引脚各通过1个5 Ω的电阻连接到总线上，并在CANH和CANL端与地之间并联2个30 pF的电容， 用于滤除总线上高频电磁干扰。

3) 为了实现CAN总线各节点的电气隔离，CAN信号接收引脚和发送引脚不直接连接到TJA1050，而是经由高速光耦TLP113连接到RXD和TXD端。LP113连接图见图2。

图2 TLP113连接图

3 系统软件设计

基于CAN总线的煤矿系统软件部分主要包括监控中心上位机测控平台软件、数据采集程序和CAN节点通信程序等部分。使用具有良好人机界面的远程测控平台软件(Visual Basic.NET)开发监控中心上位机，实现检测数据的实时直观显示和控制、通讯状态检测、安全预警、历史数据查询、数据打印等功能，并为煤矿的安全生产调度提供辅助决策。下面分析数据采集程序和CAN节点通信程序：

3.1 数据采集程序设计

根据煤矿井下多个水仓排水泵布置CAN节点监控子站。由于检测的多个排水泵及水仓参数不同，其信号采集处理电路也会不同。开关量可直接送至通用IO接口；模拟量需要经过电压转换电路进行调理滤波，转换为0～2.5 V的直流电压信号(选取2.5 V为参考电压)后由隔离放大器输入至单片机的A/D转换器上。将水位和电机电压、电流、真空度、润滑油油压、油温等监测数据通过CAN总线上传到井上上位机，得到实时数字量，为了验证CAN总线的实时性和可靠性，在上位机软件中设计了各项指标曲线显示窗口，进行实时监控。

3.2 CAN通信程序设计

CAN总线是德国Bosch公司开发的串行数据通信协议。与其他传统总线通讯方式相比，CAN总线具有多主方式工作、多优先级、CRC自检、非破坏性总线仲裁以及多种方式传送数据等优点。直接通讯距离最远可达10 km(速率5 kbps)，通信速率最高达1 Mbps(此时距离为40 m)，节点数最多可扩展至110个。其次，采用具有较高抗干扰的屏蔽双绞线作为传输介质，能够适应井下粉尘大、电磁干扰等复杂环境。

通常CAN总线系统是一个主从式控制系统。从节点接收到主节点的命令后，根据制定的通讯协议将主节点需要的报文返回给主节点，或者执行主节点发送的控制命令。主程序设计主要包括CAN初始化、数据发送、数据接收3部分。系统复位后程序先完成系统的初始化，包括系统时钟、端口寄存器、看门狗以及CAN寄存器的初始化。在CAN的初始化中先设定波特率，再初始化晶振、IO延时、消除消息号以及启动CAN，设定主节点的地址为0，并且初始化消息目标。配置远程帧接受函数、数据帧接受函数初始化以及数据帧的发送和接收函数。程序中数据帧的接收函数就是将CANDAT寄存器的数据读出，同时将此数据帧的ID号、数据长度和数据读出并进行编帧存储到FLASH存储模块。若不成功，则系统会转向总线上的其它节点进行重复操作，CAN程序流程图见图3。

图3 CAN程序流程图

CAN总线系统节点上数据的收发不依据节点地址，而是通过软件为每个用户节点配置一个ID表，如果该数据包的ID号在该节点的ID表中，则数据包成功通过该节点的验收滤波器单元的验收，并将被送到上层软件处理单元进行相应的数据处理，否则，该数据包被丢弃。由于节点的地址不是固定的，变更节点不会影响总线上原有节点间的通信。所以，这种ID机制对于总线系统的扩展具有较高的灵活性。

4 系统的验证

整个系统调试中，需连接传感器和数字量信号源，启动采集存储、实时监测系统。在系统测试中，上位机接受下位机的各项参数值，利用配套实时监测软件将存储的SRAM数据显示，并通过上位机数据分析软件将模拟量和数据量数据包解析，下位机随时执行上位机发送的命令，例如启停某个部件、设定某项参数等。

5 结束语

根据某煤矿实际情况，设计并实现了一种基于CAN总线井下排水泵监控系统。此系统井下每个排水泵CAN节点体积小、功耗低、组网灵活、后期扩张方便，与传统的RS485通讯方式相比，该系统提高了监测的实时性，传输效率高、系统抗干扰能力强。实验测试结果表明，该监控系统能够运行于复杂恶劣的煤矿矿井环境，具有良好的实时性、可靠性和安全性，满足了煤矿井下排水泵多个CAN网络节点的工作要求。该监测系统稍作改进后也可用于需要对复杂工业生产环境进行实时监测的其它测控领域，具有广阔的应用空间。

参 考 文 献

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