一种基于CAN总线的局部风机监控系统

前言

    煤矿瓦斯事故是我国矿产资源开采事故的一种。为了杜绝或减少瓦斯事故，国家煤矿安全监察局提出了明确的12字瓦斯灾害防治方针，提出了3种瓦斯治理的标准方案。井下通风是瓦斯灾害的关键因素，只有保证井下通风，监控井下瓦斯体积分数，采取相应的措施，才能保证煤矿企业的安全生产。局部风机就是指井下风机，是煤矿企业生产的最重要通风设备之一，局部风机能有效地调节井下工作面的瓦斯体积分数，有效地避免瓦斯爆炸，同时也保证了工作面工作人员的生命安全。随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展，瓦斯监控系统得到广泛应用，文中提出一种基于CAN总线的煤矿局部风机监控系统。

1 局部风机与局部风机监控

    煤矿通风系统中最关键的设备就是井下风机或局部风机。煤矿生产通风系统中包括主通风机和局部风机。主通风机通常安装在地面上，主要负责整个矿井的通风;局部风机通常安装在井下工作面，主要负责各掘进巷道的通风。井下各巷道为了准备各种各样的挖掘工作面，需要不停地新建和扩建、改建工作面，挖掘过程中经常会产生大量的矿产和有毒气体。保证挖进过程中的通风通畅，创造良好的空气环境，稀释或排出煤、气或其它矿尘，是通风系统的任务。煤矿企业一般采用局部风机不停地向掘进工作面或巷道输送新鲜空气，同时将掘进工作面或巷道的矿尘或煤气等排出矿井，进行局部的通风和供气。但掘进工作面的瓦斯或CO等体积分数过高会造成局部风机的停止运转或瓦斯爆炸，严重的甚至造成火灾。从这层意义上来说，安装局部风机监控系统非常有必要。文中所设计的基于CAN总线的局部风机监控系统就是这类监控系统。该系统主要是通过监控局部风机的瓦斯体积分数、CO体积分数等参数，掌握瓦斯的涌出规律，进一步采取合理的策略，降低瓦斯的体积分数，采取通风措施，采取断电或报警等措施防止瓦斯爆炸事故的发生。煤矿局部风机监控系统一般安装在矿井的煤巷、半煤岩巷或其它有瓦斯涌出的掘进工作面，这些地方的瓦斯体积分数都比较高，通过监控这些地方的瓦斯体积分数，可以及时发现瓦斯的积聚程度是否超过瓦斯爆炸上限。

2 基于CAN总线的局部风机监控系

    2.1系统设计

    基于CAN总线的局部风机监控系统的总体结构如图1所示。

    该系统包括现场监控层、过程监控层和经营管理层。现场监控层的综合监控器安装在井下工作面，由井下通风管理员设置或通过远程计算机远程控制。综合监视器主要监测工作面的环境信息、风机状态和供电控制，保障井下的供电与通风安全。USB-CAN总线适配器主要实现综合监控器与企业其它信息系统之间的数据通讯，CAN总线网络中所监控到的信息全部上传到监控的PC机，同样，从PC机上收到的监控信息又通过CAN总线网络发出去。主监控计算机安装在监控机房，使用CAN总线结构将相关的监控设备连接起来，主监控计算机对监控的数据进行相关的处理，同时负责企业数据库的管理，并将结果存储或传达到相关的企业应用服务器上，让煤矿企业相关的人员进行浏览或操作。企业外部的用户可以通过B//S模式访问企业的网络服务器，查询相关的监控信息及网络应用信息。

    2.2硬件系统设计

    硬件系统主要由现场综合控制器和USB-CAN通信适配器组成。它们都使用Atme189C52作为控制核心，通过它与其它接口进行数据交坎和控制操作(见图2)。

图1 局部风机监控系统的总体结构图

图2 现场综合监控器硬件结构原理图

    现场综合控制器电路由CPU核心控制模块、人机接口模块、CAN总线通信接口模块、风机故障监测模块、环境信息监测模块电路等组成。监测模块负责环境信息监控和其它电机故障的实时监测。人机接口模块负责监控系统与相关管理人员和操作人员的互动。通信接口负责现场监控层与远程监控层、经营管理层之间的数据通信，保证井下工作面数据及时传回监控层，为企业管理层正确决策服务。

    USB-CAN总线适配器由CAN总线通用通信接口模块、USB接口模块和CPU核心控制模块3个主要模块组成，为现场监控器监控到的实时数据传回监控机房提供保障。

    CPU核心控制模块采用MCU Annel 89C52为控制核心，89C5是工业控制领域使用最广泛的芯片，主要负责CAN总线控制器与USB控制器之间的信息交换，包括信息的简单处理。该系统将CAN总线通用通信接口模块直接作为CAN总线通用模块，USB-CAN总线适配器和现场综合监控器直接替代。CAN总线通用通信接口模块主要包括CAN总线控制器、CAN总线收发器和CAN总线电气隔离的光电祸合器6N137等等。

    2.3软件系统设计

    软件系统包括嵌人式软件和上位机监控平台软件2类。其中嵌入式软件包括现场综合监控器软件、USB-CAN适配器软件。现场综合监控器软件包括手动程序和自动程序2个方面。所谓的手动程序指根据键盘调试的部分，操作员根据键盘来确君系统的状态，根据机械的反应来进行故障检测。所谓自动程序指系统自动运行的、保证整个系统正常运行的程序。系统一通电就自动初始化，进行相应的设备供电等状态检测，同进开始监测瓦斯体积分数。设备的供电等状态检测判断如下，设备一通电，系统自动判断设备是否故障，如故障则报警，启动其它风机·，杜绝瓦斯爆炸等事故发生。

    USB-CAN适配器固件程序实现CAN总线与USB总线之间的信息交换，USB-CAN适配器通过适配器自带的CPU核心模块采用中断的方式与外围的其它芯片进行数据传输服务，这些芯片中最常用就是CH375和SJA 1000。它们的分工不同，CH375通常负责接收中断服务程序、而SJA100()将中断服务程序保存在RAM中，并且做相应的标志。例如系统主程序完成初始化后，SJA100()就会将标志位设计为1，表示系统正在向另一方传输数据。

    上位机监控平台软件安装在监控PC机上，为比较直观详细地监测到井下工作面的状态和环境参数的值，系统要求具有比较直观的摄像，能够显示实时的信息，更能对正在上报的实时数据信息进行及时处理和管理。上位机监控平台软件包括以下功能。

    (1)具有网络监控的功能，能够按照自我设计的CAN总线数据格式进行相关的现场综合器发送命令，也可以随机设置风量，自行切电和风机轮换。

    (2)具有实时监控、自动分析瓦斯体积分数、自动报警及相关的风机设备故障分析的功能。能够将现场综合监控器上的数据通过CAN总路通信协议解析并且显示在系统的视频界面上，并将解析数据保存在系统中。如果判断瓦斯体积分数超标，则能够及时做出故障分析，并且立即报警，停止供电等。

    (3)具有历史数据查询的功能，系统能够将监控历史数据或瓦斯体积分数等信息按照时间或巷道、瓦斯体积分数、故障种类等进行相关的查询，并且对这些厉史数据进行相应的数据分析，得出规律，为井下风机管理提供理论依据。

    (4)具有风机基本信息管理功能，系统要对各工作面或掘进平台上的风机进行相关的编辑、类型或性能参数管理。同时，对相应的工作巷道也能进行相关的巷道编号、巷道断面积、巷道长度、巷道平均掘进速度的管理，为瓦斯体积分数等监控提供保障。

    (5)具有系统用户管理的功能，将系统的用户按权限分为管理员和普通用户2类，系统管理员可以增删用户，也可以设置用户的权限。对普通用户和管理员的数据库操作权限进行管理，同时，记录下管理员和用户的登录等日志信息，提高系统数据库安全。

    根据软件系统功能的设计需求，该系统的模块功能设计如图3所示。

图3 系统功能模块图

3 结语

    基于CAN总线的煤矿局部风机监控系统的软件系统采用C/S架构。软件系统的开发环境采用Delphi2006，用Delphi2006开发上位机监控软件，数据库管理系统采用SQIServer2000。通过测试表明，该系统符合设计要求，实现了各模块的功能，为煤矿企业安全生产提供了保障。