基于現場總線技術的礦井環境監測系統研究

田浩

摘 要：本文以CAN總線技術為工程背景，將無線傳輸技術引入礦井環境監測數據傳輸過程中，研制一套簡單、經濟、可靠的基于CAN總線技術的礦井環境監測系統。論文研究成果為礦井安全生產、環境監測提供了一套切實可行的新的解決方案。

關鍵詞：CAN總線；礦井；環境監測；無線傳輸

1 礦井環境監測系統的硬件設計

本監測系統采用現代控制理論，由設備層、控制層以及信息層3部分構成，監控主機與底層實時監測設備的互聯采用CAN總線，為擴展礦用檢測儀表工作范圍，設備層在采用固定節點的基礎上，還采用了具有無線數據傳輸功能的手持檢測儀表（移動節點），使其實現即走即測，即測即發的功能，其總體結構如圖1所示。

設備層：處于最底層的信息處理單元，由監測設備、執行機構等組成。各種底層的監測設備，通過本安型網絡智能分站或中繼器，實現各種CAN總線數據和網絡標準IP數據的轉換。本文中，主要檢測儀器為瓦斯濃度和溫濕度檢測模塊。其中，為了更準確、更及時的檢測到瓦斯濃度、溫濕度等參數，采用了移動節點和固定節點兩種型式。移動節點綁定了無線收發模塊、瓦斯濃度和溫濕度檢測模塊，是具有無線收發功能的報警顯示裝置，可以由礦工隨身配帶，也可在指定位置安裝。固定節點也綁定了無線收發模塊、瓦斯濃度和溫濕度檢測模塊，它自身既可以測量周圍環境溫濕度和瓦斯濃度，又可以接收移動節點傳來的瓦斯濃度、溫濕度數據及攜帶者的身份定位信息，通過CAN總線與地面監測主機通信。考慮到無線傳輸及區域切換的范圍，固定節點以相隔一定距離的方式安置于巷道兩幫，移動節點與固定節點之間實行點對點通信。風機、水泵、采煤機、皮帶機的控制、礦壓監測儀器等同樣也可以作為固定節點掛接在CAN總線上。

控制層：主要由CAN總線網絡及其網絡交換設備組成，負責整個監控系統的調度、各控制站點間的信息聯系和數據處理，是整個礦井環境監測系統的核心和聯系信息層和設備層的紐帶。

信息層：主要由地面控制主站組成，提供與低層設備的交互界面，通過上位機軟件、網絡中繼和CAN總線，訪問和控制井下檢測儀等監測設備，實現監測數據的收集、存儲、顯示、報警、處理、分析、報表打印等。一方面支持實時數據的傳輸，如瓦斯濃度、溫濕度等信號的傳輸，真正實現礦井監測數字網絡化；另一方面，也支持非實時關鍵數據的傳輸，例如監測歷史數據下載，現場設備控制程序上載等。

2 礦井環境監測系統的軟件設計

從圖1中可看出，整個系統由兩個部分組成：井上部分和井下部分。

井下部分是整個系統的核心，分為兩個部分：移動節點和固定節點，二者共同組成井下“無線收發單元”。移動節點可以在工作人員移動過程中進行實時檢測，并將檢測值和自身的地址碼發送至固定節點。固定節點自身具有CAN總線數據接口，它每間隔特定距離安置在巷道兩幫，固定節點與地面監控主機之間采用CAN總線通訊方式。井下無線收發單元中的移動和固定節點相互之間是無線傳輸。無論是移動還是固定，每個射頻模塊都有自己特殊的地址碼，與其它模塊均不相同。在與固定節點上的射頻模塊進行通信時，數據幀里就包含這個特殊的地址碼，監控主機的軟件平臺已經將固定節點的位置信息進行了登記和存儲。當上傳的信息包含有與它們進行無線通信的移動節點的地址碼信息時，就表明佩帶和安裝該移動節點的人員及設備很接近該固定節點，從而判斷出移動人員的位置，這些位置信息均由系統存入數據庫。

井上部分主要是軟件操作平臺，按照功能劃分為2個子系統：實時監控軟件和信息管理軟件。實時監控軟件是整個礦井環境監測系統的基礎，監管主機的RS-232接口通過RS-232/CAN接口適配器與井下CAN總線進行數據傳輸。其功能主要為：完成監控節點的信息采集、實時處理和存儲。從井下上傳的信息不但包括瓦斯濃度、溫度、濕度等數據，還包括井下工作人員和設備的位置信息，這些龐大的數據量經過壓縮后都被保存在數據庫中，是信息聯網的基礎。管理軟件可采用Windows自帶的“超級終端”，主要功能是對移動監控點信息的錄入、修改、查詢和統計。

3 軟、硬件抗干擾措施

3.1 硬件抗干擾措施

（1）采用優良的電源和接地系統。在移動節點和固定節點設計中采用良好的電源，從而減少了由電源引入的干擾。系統中的數字地和模擬地嚴格分開，避免了干擾由電源地侵入系統。

（2）光電耦合隔離。采用光電耦合隔離，可以切斷輸入輸出電路的電路聯系，從而有效地防止干擾從過程通道進入系統，保證信號在總線中的無干擾傳輸。

3.2 軟件抗干擾措施

由于環境惡劣、現場被測量變化速度緩慢，所以常采用程序判斷濾波法，對采集的信號進行軟件抗干擾措施。

此外，當控制系統存在輸入干擾，又不能用硬件加以有效抑制時，可用軟件重復檢測的方法，達到“去偽存真”的目的，直到連續2次或連續2次以上的采集結果完全一致時方為有效。若信號達到最高次數限額時，則可給出報警信號。

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