基于CAN总线的可燃危险品库安全监控系统设计

张鹏翀，张宏

(中船重工第七一三研究所，河南 郑州 450015)

0 引 言

危险品库中贮存的物品危险等级高，在库内贮存保管以及运输中，一旦受内外部影响发生火灾等事故将带来难以估量的损失，因此危险品库需要全方位实时进行安全监控。而危险品库中有的物品受到无线信号的影响，带来不可预知的后果，因此安全监控系统不能采用无线传感器组网。本文提出一种采用总线组网的方式来实现安全监控功能，CAN总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单等特点, 已在众多工业领域得到广泛应用[1,5]。

1 系统总体设计

危险品库安全监控系统由安全监控台和传感器组成，安全监控台和传感器之间采用总线式网络拓扑结构，如图1所示。传感器发送的数据可以直接被安全监控台获取，保证了实时性。安全监控台主要用于信息的监测显示、危险报警和消防设备的控制。传感器包括温度、烟雾、火焰、压力、可燃气体浓度以及温度变化速率传感器。安全监控台通过CAN总线与各种传感器连接起来进行通信，安全监控台的监控软件采用力控组态软件采集CAN总线上各个传感器发来的数据信息，将各个传感器上传的信息和报警状态进行集中显示，同时对数据进行储存。

2 系统硬件设计

安全监控台采用内部配置PCI-5010-U板卡的工控机从而保证与传感器网络的CAN通信。安全监控台面板布置有预警报警指示灯、火灾报警指示灯、故障报警指示灯和蜂鸣器。

图 1 可燃危险品库安全监控系统网络架构图Fig. 1Network architecture diagram of safety monitoring system for flammable dangerous goods warehouse

传感器由探测模块和控制模块组成。探测模块主要由敏感元件、前级信号放大电路等组成；控制模块主要由信号调理电路、单片机和通信电路等组成。

各类型传感器除探测模块的敏感元件不同外，其控制模块采用通用化模块设计。

探测模块的敏感元件把物理量转换为电信号，经前级信号放大电路处理后，输出4～20 mA电流信号，探测模块选取德州仪器的XTR105芯片作为信号变送器对各种物理特征量进行处理，如图2所示。

图 2 信号放大电路Fig. 2Signal amplification circuit

信号调制电路用于将探测模块输出的4～20 mA标准电流信号，转换成一定幅值的电压信号输出至单片机。信号调制电路通过运算放大器实现电流/电压的转换及滤波。运算放大器选用美国Analog公司的AD8571，具有高输入阻抗、超低失调、零漂移和低偏置电流特性，如图3所示[3]。

图 3 信号调制电路Fig. 3Signal conditioning circuit

传感器采用C8051F040作为控制芯片，C8051F04芯片集成了CAN控制器，只需配置CAN收发器即可进行通信，CAN收发器选择周立功CTM1050T芯片作为带光电隔离CAN通信收发器，如图4所示[2]。0

图 4 CAN总线通信电路Fig. 4CAN bus communication circuit

传感器通过敏感元件采集危险品库中的危险特征参数，与设定的阈值进行对比。若超过设定的阈值时会向安全监控台发送报警信号及采集到的数据；若没有超过设定的阈值时只发送采集到的数据。

3 系统软件设计

3.1 传感器软件设计

传感器软件包括4个模块：信息处理模块、CAN通信模块、危险特征采集模块和信息存贮模块。传感器软件架构如图5所示。

1）危险特征采集模块采集来自敏感元件的信号；

2）CAN通信模块上传传感器的状态和采集到的数据；

3）信息处理模块，处理采集到的数据，生成传感器状态参数；

4）信息存储模块，存储传感器相关配置参数。

图 5 传感器软件架构框图Fig. 5Sensor software architecture diagram

3.2 安全监控台软件设计

安全监控台软件在组态软件环境下开发，在危险品库的平面图上布置有传感器的图标，图标上显示传感器测的温度、烟雾浓度、压力值、可燃气体浓度和温度变化率的数值，界面上传感器的布置位置与实际安装的位置相同。软件界面上还有整个CAN通信链路状态指示，可以显示传感器和安全监控台之间的通信状况。软件应能存储传感器的报警信息以及历史数据，并可以文本形式导出。

安全监控台软件包括CAN通信模块、日志存储模块、信息处理显示模块和I/O驱动模块，安全监控台软件流程如图6所示。CAN通信模块将传感器上传的信息解析，信息处理显示模块将解析后的数据分析处理后进行界面显示，I/O驱动模块根据数据分析后的结果驱动蜂鸣器和报警指示灯，日志存储模块将相应的数据信息存储下来。安全监控台监控软件界面主要由传感器布置示意图，安全监控台和传感器通信连接示意图组成。每一个传感器图标可以显示自身对应的信息如温度值、压力值、可燃气体浓度值、烟雾浓度值和温度变化率的值。当危险特征值超出预警报警阈值时，传感器图标变为橙色闪烁，蜂鸣器低频鸣叫，当危险特征值超出火灾报警阈值时，传感器图标变为红色闪烁，蜂鸣器高频鸣叫，软件界面如图7所示[4]。

图 6 安全监控台软件流程图Fig. 6Flow chart of monitoring software of safety monitoring station

图 7 安全监控台软件界面Fig. 7Interface of monitoring software of safety monitoring station

4 系统测试

将2个温度传感器、2个烟雾传感器、3个温度变化率传感器、2个可燃气体传感器、1个压力传感器和1个火焰传感器，布置在6 m×6 m，高为3 m的危险品库中，在库内的典型危险点设置火源，温度传感器和温度变化率传感器发出火灾报警，火焰传感器发出预警报警，如图8所示。由测试结果可知，整个安全监控系统能够正确及时识别火灾。

图 8 安全监控台火灾报警界面Fig. 8Interface of fire alarm of safety monitoring station

5 结 语

根据测试结果该系统达到了设计要求，系统报警响应速度快，人机界面直观，传感器组网简便易于扩展，可根据需要添加传感器，监控程序可移植性强。