（机械电子工程专业论文）基于can总线的矿井积水水位监控系统.pdf

一涨 基于c a n 总线的矿井积水水位监控系统 一 摘要 煤矿安全生产一直以来都受到水文地质灾害的严重影响。目前，国内 煤矿井下水位监控系统主要采用集散控制系统，该系统由主从式体系结构 组成、采用时分制通讯为主流技术，其监控底层设备无法进行相互间信息 交换。此外，由于受到传感器技术的限制，矿井水位监控系统只能布置在 工作环境较好的水仓处，无法覆盖整个煤矿井下工作环境，因此无法采集 能最直接反应水文信息变化的巷道水位信息，造成监控系统检测精度低、 反应迟缓，不能及时发出报警并将积水排出。 本课题针对现有矿井水位监控系统的弊端，研究了一套全新的水位监 控系统，该系统能够覆盖整个煤矿井下工作环境。其核心技术是利用变介 质电容原理设计了一种新型水位传感器，通过聚四氟乙烯电缆将水位高度 转化成相应电容值，再通过专用电路进一步将电容值转化为标准的电压值， 并综合运用平均值滤波法及插值法拟合系统特性曲线，消除了所采集信息 中的干扰误差，实现新型水位传感器系统的非线性校正；以单片机 m s p 4 3 0 f 1 6 9 为核心处理器，设计了矿井分站，为了兼容现有井下传感器， 降低监控系统成本，本系统还设计了多种传感器信号采集通道，不仅能够 读取新型传感器的信号，而且还能够读取传统模拟量和开关量传感器的信 号，读取传感器信号后，经过分站核心处理器的分析、处理后，根据处理 后的结果，采用连级排水的方式实现井下积水的自动排除，并将读取的信 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 号通过c a n 总线传输给监控中心。当水位超过警戒水位时，能够及时报警； 本系统采用c a n 总线通信方式进行设备间的信息交流，通过对现有c a n 控制器和收发器进行比较，选择了m c p 2 51 5 芯片为c a n 控制器以及应用 t j a l 0 4 0 芯片作为c a n 收发器构成了c a n 总线通信模块，实现了应用c a n 总线进行数据的发送和接送等功能；以监控系统组态软件为平台，设计了 人机交换界面，通过它实现对底层设备进行远程监控。 实验表明：本课题研制的新型水位传感器具有较高的检测精度，其非 线性度误差减少到o 4 以下，能够满足在复杂环境下工作的要求；矿井分 站能够采集各种类型传感器发送的信号，并能够适时的控制水泵的开停， 达到兼容各种类型传感器和降低成本的目的；c a n 总线通信大大提高了数 据传输的正确率，将底层设备有效的连接起来，使得监控系统间信息无障 碍传输。矿井积水水位监控系统能够实时、准确、高效的完成各项既定功 能，达到了现场使用的要求；利用人机交换界面，实现了远程查看各水位 监测点历史数据和报警数据的功能。 关键词：新型水位传感器，矿井分站，c a n 总线，m s p 4 3 0 ，监控系统 太原理工大学硕士研究生学位论文 m o n i t o r n ga n dm 匣a s u r 巳匝n ts y s t e m o ft h ep o n d e d 馅t e rl e v e li nn 咖 b a s e do nc a nf i e l db u s a b s t r a c t t h es a f ep r o d u c t i o ni nt h ec o a lm i n ei sa f f e c t e d b yh y d r o g e o l o g i c a l d i s a s t e r s c u r r e n t l y , t h ed o m e s t i cc o a lm i n em o n i t o r i n gs y s t e mm a i n l ya d o p t s t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc o n s i s t so f m a s t e r - s l a v ea r c h i t e c t u r e ，t a k e s t i m e - d i v i s i o nc o m m u n i c a t i o na st h em a i n s t r e a m t e c h n o l o g y a n dt h eu n d e r l y i n g m o n i t o r i n ge q u i p m e n t sc o u l dn o te x c h a n g ei n f o r m a t i o nm u t u a l l y b e s i d e s ， b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o n so fs e n s o rt e c h n o l o g y , t h em i n ew a t e rl e v e lm o n i t o r i n g s y s t e mc a nn o tc o v e rt h ew h o l ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ，a n di sa r r a n g e do n l yi n w a t e rw a r e h o u s ew i t hb e t t e rw o r k i n ge n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，t h ew a t e rl e v e l i n f o r m a t i o no ft u n n e lc a nn o tb e g a t h e r e d ，w h i c hr e f l e c t st h ec h a n g eo f h y d r o l o g i ci n f o r m a t i o n t h i sr e s u l t si nl o wd e t e c t i o n a c c u r a c ya n ds l o w r e s p o n s eo ft h es y s t e m ，a n dc o u l dn o ta l a r mi nt i m ea n df o r e c a s tt h eh y d r o l o g y i n f o r m a t i o n a i m i n ga tt h ee x i s t i n gp r o b l e m so fm i n ew a t e rl e v e lm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n e wm o n i t o r i n gs y s t e mi s d e s i g n e dt oc o v e rt h ee n t i r ec o a lm i n ew o r k i n g e n v i r o n m e n t t h ec o r et e c h n o l o g yi san e ww a t e rl e v e ls e n s o r , w h i c hi sb a s e do n t h ep r i n c i p l eo fv a r i a b l ed i e l e c t r i c c a p a c i t o r , t r a n s f o r m st h ew a t e rl e v e lt o i i l 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o r r e s p o n d i n gc a p a c i t a n c ev a l u eb yt e f l o nc o 越a 1c a b l e ，a n dt h e nt r a n s f o r m s t h ec a p a c i t a n c ev a l u et ot h es t a n d a r dv o l t a g eb yt h es p e c i a lc i r c u i t f i n a l l yt h e a v e r a g ef i l t e ra n di n t e r p o l a t i o nm e t h o da r es y n t h e t i c a l l yu s e dt of i tt h es y s t e m c h a r a c t e r i s t i c c u r v e ，a n d e l i m i n a t ei n t e r f e r e n c ee r r o r s ，t h u st h en o n l i n e a r c o r r e c t i o nw a si m p l e m e n t e da tl a s t t h em i n es u b s t a t i o ni sd e s i g n e dw i t ht h e c o r ep r o c e s s o ro fm i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 f16 9 ，w h i c ha i ma tt h ec o m p a t i b i l i t y w i t he x i s t e dm i n es e n s o r sa n dt h el o w e rc o s to ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ad a t a i n t e r f a c ef o rv a r i e t yo fs e n s o r si sd e s i g n e d ，w h i c hn o to n l yr e a dt h es e n s o rd a t a ， b u ta l s oc o u l dr e a dt h et r a d i t i o n a la n a l o ga n ds w i t c hl e v e ls e n s o rd a t a a f t e r r e a d i n gt h es e n s o rd a t a ，t h ea n a l y s i sb yt h ec o r ep r o c e s s o ra n dt h ea u t o m a t i c e x c l u s i o no fu n d e r g r o u n dw a t e rb yt h ew a yo fo n e b yo n e ，t h ed a t ai s t r a n s m i t t e dt h r o u g ht h ec a nb u st ot h em o n i t o r i n gc e n t e r , d i s p l a y i n gr e a l - t i m e w a t e rl e v e l w h e nt h ew a t e rl e v e li sa b o v et h ew a r n i n gl e v e l ，i tc a nw a mi nt i m e i no r d e rt or e a l i z et h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nt h eb o a o md e v i c e st ob r e a kt h e l i m i tf r o m “i n f o r m a t i o ni s l a n d ”，t h ec a nb u si su s e df o rt h ec o m m u n i c a t i o n a m o n ge q u i p m e n t s c o m p a r e d w i t ht h ee x i s t e dc a nc o n t r o l l e ra n d t r a n s c e i v e r ，t h em c p 2 5 15i ss e l e c t e da sc a nc o n t r o l l e r ，a n dt h et j a10 4 0a s c a n t r a n s c e i v e r ，t h et w op a r t sc o n s t i t u t et h ec a n b u sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， a c h i e v et h ef u n c t i o no fs e n d i n ga n dr e c e i v i n gb ya p p l i c a t i o no fc a nb u s t h e m a n m a c h i n ei n t e r f a c eb a s e do nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eisd e s i g n e dt or e m o t e m o n i t o r i n go f t h eu n d e r l y i n gd e v i c e t h er e s u l to ft e s ts h o w st h a tt h ed e s i g n e ds e n s o rh a sh i g h e rd e t e c t i o n i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 a c c u r a c y , a n d i t s n o n - l i n e a r i t y e r r o ri sr e d u c e dt o 0 3 2 0 5 ，m e e t i n g t h e r e q u i r e m e n t si nac o m p l e xe n v i r o n m e n t m i n es u b s t a t i o nc a na c q u i r et h ed a t a s i g n a lw h i c hi ss e n tf r o mv a r i o u st y p e so fs e n s o r , c a nt i m e l yc o n t r o lt h ew a t e r p u m p ，a n df i n a l l ya c h i e v et h ec o m p a t i b i l i t yo fv a r i o u st y p e so f s e n s o r sa n dt h e p u r p o s eo fr e d u c i n gt h ec o s t c a nb u sc o m m u n i c a t i o ng r e a t l yi m p r o v e st h er a t e o fd a t at r a n s m i s s i o n ，a n dm a k e st h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n a c c e s s i b i l i t y b e t w e e nm o n i t o r i n gs y s t e m sb yl i n k i n gu pt h eb o t t o me q u i p m e n t m i n ew a t e r l e v e l m o n i t o r i n gs y s t e m c a n c o m p l e t e a l le s t a b l i s h e df u n c t i o n s t i m e l y , a c c u r a t e l y , a n de f f i c i e n t l y , m e e tt h ew o r k i n gr e q u i r e m e n t m a n m a c h i n e i n t e r f a c er e a l i z e sar e m o t ev i e wo ft h eh i s t o r i c a ld a t ao ft h ew a t e r1 e v e l m o n i t o r i n gs i t e sa n da l a r md a t a k e yw o r d s ：n e ww a t e rl e v e ls e n s o r , m i n es u b s t a t i o n ，c a nf i e l db u s ， m s p 4 30 ，m o n i t o r i n ga n dm e a s u r e m e n ts y s t e m v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 煤矿在开采过程中，由于煤矿井下地质结构复杂涌水和透水事故时有发生，对煤矿 安全生产造成极大危害。造成这类问题的主要原因有：一、与当地是否处于雨季以及是 否有河流通过有关，雨水或江河水在地心引力作用渗透到井下；二、煤矿生产过程中误 采，打通了煤矿开采端面与地下水层，使得地下水涌进煤矿巷道。据统计，正常开采情 况下，每生产一吨煤就需要排除2 7 吨积水，在一些地质结构异常复杂的煤矿下需要排 除3 0 4 0 吨矿井积水l 。在一些水文地质极复杂的矿井，单位涌水量达到3 0 0 0 m 3 h 以 上。例如：2 0 0 8 年4 月2 7 日，一场暴雨袭击了川南建设工程有限公司正在建设施工之 中的四川古叙煤电公司石屏一矿工地，+ 4 3 5 运输大巷绕道出现异常涌水，在短短的一 个小时，涌水量就猛增到4 0 0 0 0 立方米小时，井下设备全部被淹l 引。另外，煤矿采掘过 程中产生大量的煤尘，为了降低煤尘对井下工作人员健康的危害，常采用喷洒水来降低 煤尘，这样也会造成煤矿井下积水，给矿井的正常生产带来不便。 频繁的水文地质灾害给煤矿井下的正常生产带来严重的影响，如果不能及时处理突 水或涌水事故，轻则阻碍矿井的生产进度，重则甚至危及到井下工作人员的生命安全。 同时，大多数涌水或突水事故是由于人为因素忽视所致，不科学的探水或出现异常情况 凭主观判断所致，这类事故许多情况下是可以通过监测矿井巷道的积水情况而进行预 警。因此有必要研究集矿井巷道积水监测、预警及自动排水系统，将涌水或突水事故风 险降至最低。 总体来说，煤矿井下排水监控系统的目的是保障矿井的安全生产，能够及时地监测 各排水泵站的工作情况，并将采集到水泵的工作信息和遍布煤矿井下的分水仓和小水洼 的水位高度及时通过监控网络传输给监控中心。监控系统要进行实时监测及报警显示， 并合理调度水泵排水，一旦水位高度超限，要及时进行报警并迅速撤离井下的工作人员， 尽最大限度保障人身安全。为了将煤矿井下的积水排除，需根据矿井环境的复杂性，在 煤矿井下设置大量的排水泵站，泵站之间通过分级将煤矿井下积水排出。因此，煤矿井 下安装高精度、高效的实时排水监控系统，对煤矿井下的安全生产具有极其重要的意义。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 国内外研究动态 1 2 1国内外煤矿井下监控系统现状 目前，我国煤矿井下监控系统已完成从引进、消化吸收到自主开发的全过程。早期 引进的如英国的m i n o s 系统、西德的t f 2 0 0 系统、美国的d a n 6 4 0 0 系统等，现已均 被国内开发的监控系统改造替换，在用的煤矿安全监控系统基本上都是我国自主开发的 产品i 引。据不完全统计，目前进行煤矿井下监控系统研发、生产的厂家有2 0 多家，各家 都推出具有各自特色的产品，型号不下3 0 多种。国内绝大多数的大型煤矿都安装了完 备的监控系统，百分之九十以上的系统都是基于集散控制系统设计的，其底层设备仍然 采用模拟量信号传输信息。这些监控系统一度对我国煤矿安全生产起到了积极的作用， 对我国经济的发展作出了极大的贡献，但随着科学技术的发展及煤矿安全生产的要求日 益提高，这些监控系统已经远远落后与其他领域监控系统的发展。 采用集散控制系统技术的煤矿监控系统的缺陷是显而易见的，主要表现在：系统之 间不能进行信息共享；井下需要大量的电缆进行设备间连接，大大增加了系统成本；由 于采用模拟量信息进行信息传输，系统的抗干扰能力差，系统的使用和维护比较困难。 从以上存在的问题来看，对这些监控系统采取全面的升级换代已迫在眉睫。 并且矿井监控技术已从单变量控制到多变量控制，从局部的自动调节到全局的最优 控制发展。目前的矿井监控系统技术思路为依托于造价低廉的通信网络，实现信息的可 靠性传输，能够对实时采集的信息进行分析和处理，立足于采集结果进行预定的控制操 作，并能够与外界环境进行数据交换。研制的新型传感器和设备具有复杂的数据处理功 能和良好的数字通讯功能，为构建现场底层网络系统提供了必各的条件，这样新型传感 器和设备不仅可以与控制中心和系统底层设备问相互通信，而且自身还可以实现基本的 分析判断和直接控制终端设备的工作状态。以上构思研究是矿井监控网络系统能够对现 场工作的每一个设备的状态进行实时动态监控和数据提取，经过综合分析、推理、判断， 最终做出最优控制决策。可以证实现场总线技术构建的监控系统能够完全满足以上对矿 井监控技术发展的要求。 煤矿井下监控系统设备层进行数字化改造后，具备数字通信功能的新型传感器和设备 逐渐替代了传统的模拟信号传感器和执行器件，使得现场的智能设备不仅仅用于简单检 测和控制，还可以实现p i d 、累加、计算、和模糊控制等较复杂工作，构建成基于现场 夕 太原理工大学硕士研究生学位论文 总线控制的监控系统。现场总线的优势不但在于全数字、全分布，还在于其网络协议 的开放性，遵循同一协议的设备和仪表可以方便地实现互联、互操作和互换，使得监控 系统不再依赖于某家企业，促进了煤矿监控系统的快速发展。f c s 还具有i o 电缆的费 用降低、扩展容易、标准化程度高等优点。同时，基于现场总线研发的监控系统底层设 备都能实现相互问的数据互换和通信。现场总线的网络体系结构及标准的研究和制定始 于2 0 世纪8 0 年代，在m o n t r e a l 的i e c 技术委员会t c 6 5 c 会议上决定由p r o w a yw o r k i n g g r o u p ( i e c t c 6 5 cw g 6 、) 小组负责此项工作i 训。它的最初商业应用是h o n e y w e l l 公司在 1 9 8 3 年推出的数字信号( 4 m a 2 0 m a ) 差分智能化仪表【引。 现场总线技术在我国的发展仍处于初步应用阶段，尤其是煤矿监控市场，许多监控 系统的生产厂商都在研究各自的系统向f c s 过渡的方式。目前在国内控制系统中比较有 影响的现场总线有f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 和h a r t 等，主要的性能比较如 表1 1 所示。它们各有特色，根据各自不同的特点，在相关的领域内大放异彩。 表1 1 现场总线主要性能比较 t a b l e1 1 t h em a i np e r f o r m a n c eo ff c s 总线类别 p r o f l b u sh a r tc a nf fl o n w b r k s 最大传输速率 5 0 0 k b i t s1 2 k b i t s1 m b i t s31 2 5 k b i t s - 2 5 m b i t s1 2 5 m b i t s 最大传输距离1 2 k m3 k m1 0 k i n5 0 0 m - 1 9 k m2 7 k m 由上表可以看出各种现场总线的性能参数，相对于传输速率和传输距离来讲，矿用 工业总线对最大传输距离要求较高，通常要数千米。由此可知c a n 总线作为煤矿井下 监控系统的通信方式为最佳的选择【6 1 。 1 2 2国内外煤矿井下排水现状 随着控制理论和现代检测技术的发展，自动排水系统的研究在理论上和实践上都取 得了一定进步。国外在软件设计方面提出了许多实用的算法。例如，前苏联国家镍工业 设计研究院开发的软件能根据复杂的水文和地质条件，以及矿井排水的参数，优化管理 水泵房的运行，并有一定的计算机辅助设计功能1 7 1 。而一些西欧国家则建立了智能化矿 山的技术项目，其目标为了实现实时的生产管理和控制、生产过程自动化、全矿生产过 程网络化【8 1 。 目前，国内还没有针对巷道积水的专用监控系统，矿井下排水系统主要有以下四种 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 控制方式： 1 、人工控制。 由人工控制水泵的开停，不能够根据水位的变化而自动的实现水泵工作状态切换， 常常由于工作人员的工作热情不够高或安全意思淡漠，造成不能够及时切换水泵工作状 态，造成水泵空吸或达到预定工作水位而没有运行工作，给矿井的安全生产带来威胁。 人工控制自动化水平低，不能将实时水位信息传送给监控中心，给统一调配、事故处理 造成不便，直接影响井下排水系统的管理和煤矿的安全生产。 2 、电磁起动器+ 开关式水位传感器 文献【9 】中利用电极式传感器测量水位，通过隔爆型真空电磁起动器控制水泵排水。 文献 1 0 l q 喑l j 用自锁按钮检测高低水位线，通过隔爆型真空电磁起动器控制水泵排水。 文献 1 1 1 q 断l j 用l m l 8 3 0 及其外围电路组成的积水检测器，利用交流信号通过集水区来 测量积水水位高度，通过隔爆型真空电磁起动器控制水泵的开停。 以上文献中介绍的几种方法存在的问题是只能检测到水位是否在安全水位以内或 是否超过警戒水位，不能准确的检测到实时水位，也无法与其他水洼或水仓进行联网排 水，在分级排水过程中容易导致积水淹没巷道，影响煤矿的安全生产。地面工作人员无 法观测到实时水位高度，不能进行排水统一调度。 3 、用p l c + 水位传感器控制交流电机来启动水泵的启停。 文献f 1 2 1 中采用防爆超声波水位传感器采集水位信号并将其传输给主机，采用 s 7 2 0 0 型p l c 为控制主机，对水仓排水系统进行集散控制。文献 1 3 】中采用投入式水 位传感器和超声波水位传感器采集水位信息，以p l c 为集散控制系统核心，根据采集 到水位高度来控制水泵的开停，实现煤矿井下的自动排水。文献 1 4 1 5 1 中采用p l c 和 变频器变频相结合的方法，实现矿井的自动排水，并利用r s 4 8 5 实现监控系统信息的远 程传输。文献【1 6 1 中采用p l c 为矿井分站核心处理器，工控机为监控中心的核心处理器， 配备组态软件，以“移峰填谷”原理实现对煤矿井下积水的自动排取。文献 1 7 1 中采用 工控机和p l c 以p r o f i b u s 为通信网络，组建煤矿井下积水监控系统，保障煤矿的安 全生产。上述文献的研究都以p l c 为矿井分站的核心处理器来实现煤矿井下积水监控 系统，能够完成排水控制功能，但由于p l c 布线复杂，容易造成线路误接，给监控系 统带来不可恢复的损坏，并且以p l c 为核心的矿井分站造价过高。 水位传感器是煤矿井下积水监控系统的核心组成部分，以上文献中所设计的监控系 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 统都以超声波水位传感器和投入式水位传感器为监控系统的检测工具，以上两种传感器 都是以模拟量的形式输出水位高度信号。超声波水位传感器由于存在探测盲区，以及在 复杂的巷道环境中很容易在其他接触面反射，不能够精确、可靠的测量实际水位。投入 式水位传感器的探头由于在含有大量煤渣的巷道积水中容易被堵塞，因此也不能够精 确、可靠的测量出巷道积水水位。通常只使用在工作条件较好的水仓处测量水位。 4 、采用单片机+ 水位传感器控制交流电机来启动水泵的启停。 文献【1 8 】中采用开关式水位传感器检测水位高度，由m c 5 1 单片机为c p u 组成启 动电气控制系统，切换水泵工作状态。文献 1 9 1 中以单片机a t 8 9 c 5 2 为核，t 3 处理器，利 用水位传感器检测水位高度，以固态继电器来控制水泵工作状态的切换。文献【2 0 】中采 用a v r 单片机a t m e g a l 6 作为微处理器，采集井下水仓的水位，检测排水泵的运行参 数、自动控制水泵状态的切换，并具有水位超限自动报警功能。 综上所述，煤矿井下积水监控系统以单片机为核心处理器能够实现自动排水。与 p l c 为核心的控制方式相比具有价格便宜、控制灵活、体积小等优点。 1 3 课题的提出 目前，国内还没有一套矿井水位检测监控系统能精确、可靠的检测监控巷道积水， 所存在的系统也仅仅适用于工作条件比较好的水仓处。主要存在以下几点不足：一、所 用的水位传感器不能适用于工作条件恶劣的巷道，进行积水检测，因此也就无从谈其能 够实现巷道水位的自动化监控。二、监控系统都是以集散控制方式为主，使得底层设备 只能向上层设备发送信息，而无法实现相互间的通信，以及在安装过程中需要大量的电 缆，导致了成本的大幅飙升。基于此，本课题将研究一种新型的检测监控系统，以能够 实现对巷道积水检测监控，能够实现排水系统的自动化管理，能够对涌水和突水事故进 行预警。并将安全、生产、管理等信息整合在一起将是很有现实意义的。 1 4 研究内容 针对以上问题，本课题提出设计一种基于变介质感测的水位传感器、基于单片机为 控制核心的c a n 总线通信方式的矿井积水水位监测监控系统。实现对煤矿井下积水水 位的精确检测和底层设备之问的数据传输，并将采集到的水位数据传输到监控中心，进 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 行实时监测及报警、显示并合理调度水泵运行，及时准确的了解到采掘工作面的涌水量， 发现危险征兆并采取合理有效的防治措施，保证煤矿的生产安全。主要研究内容包括： 1 、基于变介质感测原理研究一种新型水位传感器，不仅实现在工作条件差的情况 下对积水进行精确检测，而且能够适应于各种类型的监控系统中。 2 、采用合理的处理方法，提高新型水位传感器的系统精度，解决现有传感器精度 低等问题。 3 、立足于科技发展的前沿，选择c a n 总线通信为监控系统的信息传输方式，使得 信息能够在各设备间自由传输，并将采集到积水水位信息传输给监控中心。 4 、依据目前国内存在的设备，研究出一种合理的方案，能够在系统中兼容各设备， 并对排水泵进行合理的控制。 5 、从现有的矿井监测监控设备出发，研究一种能够切实可靠的实现矿井井下积水 排水方案，彻底地解决现有设备存在的不足。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第2 章矿井积水水位监控系统方案设计 水文灾害对煤矿井下安全生产造成严重的危害，为了保证煤矿的安全生产，矿井积 水水位监控设备必须对巷道积水情况进行实时监控，一旦水位高度超限，要进行及时报 警并迅速撤离井下的工作人员。但是水位监控系统不仅面临着工作环境恶劣的问题，而 且面临着监控设备间距离较远的挑战。同时一些煤矿为了提高生产效率、推进矿山自动 化水平，从不同厂家购置了不同的监控系统如：人员定位系统、生产调度系统、信息管 理系统和计算中心管理，但不能实现相互间信息交流，造成人力和财力的浪费之外，也 不能发挥其应有的作用【2 l 】。 为了兼容国内煤矿正在使用的各种井下监控系统，实现系统之间信息共享，就需要 依托c a n 总线通信网络，通过总线接口模块将各个监控系统作为子系统联系起来。矿 井积水水位监控系统间信号的通讯由以下两种方式来实现：一种是采用c a n 总线通讯， 实现信号以数字方式传输；另一种以模拟量方式传输。本课题在巷道连级排水工艺的基 础上，设计了一种新型的水位监控系统，不仅能够兼容通讯方式各异的子系统，而且能 够实现巷道积水的自动化排除。 2 1c a n 总线概述 2 1 1c a n 总线的通信原理 控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e r sa r e an e t w o r k ) 为- - 种f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 现场总线，从本质上来说是一种多节点的串行通信协议，能在生产现场实现控制设 备之间的双向串行通信，是底层开放的数字化通讯网络【2 2 i ，【2 3 1 。它能使监控系统把控制 的权限部分地下放到现场，让现场的智能仪器自动实现数据的采集、处理、控制运算和 结果输出等简单低级的功能。如果现场的智能仪器不能完成高级控制或者是复杂运算， 任务才交由上位机来实现。同时各现场的智能仪器之间也能实现相互问信息交流，并能 够相互控制。另外，现场的智能仪器也能把诊断的数据结果上传给上位机，实现上位机 对设备的管理。 网络通讯中面临着节点发送数据冲突的问题，为了解决发送数据顺序的问题，c a n 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 总线以标示符为依据利用非破坏性位仲裁结构来确定不同节点数据的发送顺序，将需要 最快发送数据节点标示符的优先级设为最蒯2 4 1 。按照发送顺序优先级的不同，实现c a n 总线通讯网络上数据的有序传输。由于c a n 总线网络采用多主竞争式总线结构，其通 讯方式具有分散仲裁和多主运行的特点，同时也具有广播通信的特点。 c a n 通信接口连接着监控系统中各个分散模块，实现系统内部信息的交换。一方 面，c a n 接口不断地将监控网络中各节点采集到的信息发送到c a n 总线上，最终被相 应的节点接收，并被存储在监控中心的实时数据库中；另一方面，网络中节点通过c a n 接口读取总线上传输的数据信息，并在c a n 总线空闲时发送指令，可以在任意节点实 现对网络中其它节点的远程控制和工作状态查看。 1 、c a n 总线数据交换原理 c a n 是一种依靠广播报文( m e s s a g e ) 信息来实现通讯的现场通讯方式，因此c a n 中只定义了报文格式，而无需定义节点的地址。c a n 通信网络中各节点对数据的发送 和接收都是依靠报文标识符( i d e n t i f i e r ) 来进行识别，每个报文都具有唯一的1 1 位或 2 9 位数字的i d ( i d e n t i f i e r ) ，报文标识符并没有定义将数据发送的目的地，而是定义了 数据发送的优先级。当有多个节点同时申请将数据发送到c a n 总线时，根据优先级来 确定数据发送的顺序【2 5 。2 7 】。因此，矿井积水水位监控系统中，必须将挖掘面的水文数值 传输的优先级设为最高级，达到将实时水位迅速地传达到监控中心的目的，给监控中心 进行水文灾害预警和积水排水控制提供最及时、准确的数据为参考。 图2 1c a n 节点通信原理 f i g 2 1 c a nn o d ec o m m u n i c a t i o nt h e o r y c a n 总线上的报文发送格式是固定的，即过载帧、远程帧、数据帧、错误帧4 种 不同的帧类型表示和控制。报文进行传输时，首先要进行请求发言，然后等待仲裁。其 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 仲裁原理是采用“无损的逐位仲裁”方法，确保使高优先权的报文优先发送。仲裁获得 通过的节点获得发送数据的权限，而仲裁失利的节点立即停止发送数据并转变为接收数 据。当节点报文接收时，采用c r c 无损检验方式进行数据完整性检查，如果报文发送 不完整立即删除该报文并让其继续发送，如果接收到的报文完整则读取该数据并结束该 次发送。一个标准的数据帧由7 部分组成：帧起始、控制域、仲裁域、c r c 域、数据域、 应答域以及帧结束。标准报文传输原理如图2 2 所示： 图2 2 报文传输原理图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fm e s s a g et r a n s m i s s i o n c a n 总线进行数据传输时，总线上传输的数据为二进制数“0 ”和“1 ”。而在总线 上只能通过电平的高低来表示传输的数据为“0 ”或“1 ”，当总线上数据为“0 ”时， 称总线处于“显性”( d o m i n a n t ) 状态；如果总线上数据为“1 ”，则将总线状态看为“隐 性”( r e c e s s i v e ) 。c a n 总线以差分电压代表信号：在隐性状态下，各总线上电压值几 乎相同；在显性状态下，差分电压大于最小的差分阈值。总线上差分电压形式如图2 3 所示： 飞一 一l 隐性位显性位隐性位 。 图2 - 3 总线位的数值表示 f i g 2 3 v a l u ei n d i c a t i o no ff i e l d b u s 只有当c a n 总线处于“隐性”电平( r e c e s s i v el e v e l ) 时，各节点才能进行报文发 送的请求，任何节点单元均可在此时申请向总线发送报文。 2 、c a n 总线联网特性 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 c a n 总线网络中节点数目不受地址限制，而与c a n 模块的电气特性有关。由于节 点没有地址信息，因此，可以向c a n 总线随意增加新的节点，且新的节点不会对网络 上其它节点的通讯产生影响，省去了对已经存在的节点的硬件或软件的修改。 c a n 总线上电气负载决定了可连接的节点数量：c a n 总线上连接节点数据的增加 会导致传输速率降低；传输速率提高时，必须以减少c a n 总线上节点的数量为代价。 依托于c a n 总线构建的网络中所有节点的通信速率必须一致，如果某一节点的通信速 率与其它节点的速率不同时，该节点通讯将会出错，并影响整个网络的正常通讯。 2 1 2c a n 总线的特点 c a n 总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、灵活性、安 全性、节能性和经济性。 1 、可靠性 为了达到监控系统中数据传输的可靠性以及设备间通信的灵活性，根据i s o o s i 参 考模型，c a n 被细分为物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 和数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 。介 质访问控制子层( m a c ) 属于数据链路层，其主要作用是界定报文的传输规则，即控制帧 的结构，仲裁的执行和错误的标定，决定报文的发送顺利和报文的接收。m a c 子层能 够将永久故障和暂时扰动区分又名为故障界定的管理实体【2 8 1 。 c a n 总线处于空闲时多个节点同时向总线发送信息时，c a n 采用非破坏性总线仲 裁技术来确定发送报文的顺序，优先级较高的节点进行传输数据，优先级较低的节点退 出数据发送，节省了冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络 瘫痪情况，而以太网则可能导致网络瘫痪，保障了c a n 总线可靠的进行信息传输【2 8 1 。 2 、 灵活性 监控系统中不需要改变硬件结构，而直接加入c a n 节点。它不使用任何关于系统 结构的信息，报文的寻址由标识符指定，标识符不指出报文传输的目的地，但是网络上 的所有节点可以通过报文滤波来判断标识符是否与它们相符合，在标准帧报文标识符有 1 1 位，而扩展帧的报文标识符为2 9 位，其可以标识的报文数几乎不受限制。由于采用 报文滤波的方式，任何数目的节点对同一条报文都可以接收并对此做出反应。系统中数 据的一致性是靠多点传送和错误处理功能来实现的。 3 、安全性 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 为了获得最安全的数据发送，c a n 总线上的每个节点都采用了发送电平与总线电 平比较、冗余检测、位填充等强有力的措施来保证检测到所有的全局错误和发送器的所 有局部错误，可以检测到多达任意5 个分布的错误，同时也能检测到报文里的突发性错 误。通过以上检测方法保证了报文传输的准确性和安全性，使未检测到错误的概率低于 报文的错误率4 7 x1 0 1 1 。检测到报文错误的节点会自动标示出损坏的报文，并将之 删除之后自动重新发送。如果不再检测出错误，则从检测出错误到自动重新发送恢复时 间最多为3 1 个位的时间【2 9 】。 4 、环保性 为了降低系统的功率损耗，设计时可将c a n 器件设计为休眠模式。当处于休眠模 式下：c a n 器件停止内部活动并断开与总线驱动的连接，任何总线的运作或系统内部 需求，自动唤醒并推出休眠模式。在接通总线之前，内部运行已经开始，然而要等待系 统的振荡器工作稳定并且与总线频率吻合后，才能进行总线活动。 5 、 经济性 c a n 总线由于每个节点的价格较低，且利用了现有的单片机作为开发工具，因此 开发技术易于掌握；又由于其结构简单，易于购置，因此，c a n 总线具有较高的性价 比。c a n 通常可选双绞线、同轴电缆或光纤为通信介质，选择较为灵活。 2 2 水位监控系统方案设计 煤矿安全规程中规定，井下采掘断面与巷道有突水或是积水发生的可能时，应当优 先安装排水系统，并保证有足够的排水能力，充分做好水害预防工作。排水系统必须设 有多台工作泵和两趟管道，并且每一台排水泵都应当与两个排水管道相连接，以保障当 其中任意一个排水管道出现问题时，另一个排水管道可以继续正常使用，而不会导致排 水中断。多台水泵又分为工作泵、备用泵和检修泵，当工作泵出现故障时，立刻启动备 用泵，为了保证各个水泵都能正常工作，必须在一定的时间段内完成各个水泵轮流检修。 对各个水泵的排水能力要求如下：工作水泵需在2 0 小时内排出矿井2 4 小时的正常涌水 量，其中还包括充填水及其它用水；备用水泵的实际排水能力不小于工作水泵最大排水 能力的7 0 ；检修水泵的排水能力不小于工作水泵最大排水能力的2 5 。排水管道的能 力要求如下：工作排水管路的排水能力应能满足工作水泵工作2 0 小时内排除矿井正常 涌水情况下2 4 小时的积水量；工作排水管道和备用排水管道的排水能力满足工作水泵 11 太原理工大学硕士研究生学位论文 和备用水泵在2 0 小时能排水2 4 小时内矿井的最大涌水量【3 0 1 。在任何情况下都必须保证 备用水泵和备用排水管道可用，在紧急情况下可以立即投入工作，因此必须对排水管道 和排水泵进行定期地检修和维护。基于总线技术和煤矿排水的工艺要求，本课题进行了 矿井井下积水水位监控系统的设计。 2 2 1水位监控系统的总体结构设计 矿井积水水位监控系统中需要采集巷道积水信息，面临着水位检测点数量庞大、检 测环境恶劣等挑战，由人工