（检测技术与自动化装置专业论文）煤矿瓦斯监控及数据传输系统.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 煤炭是我国重要的基础能源和材料，占我国能源总量的7 0 以上。但是，煤 炭行业的安全生产形势不容乐观，以瓦斯爆炸为突出代表的重特大安全事故时有 发生。因此，设计一个高可靠性、高稳定性的煤矿瓦斯监控系统，对煤矿安全生 产具有重要的作用。 本课题来源于山东省信息产业厅项目“煤矿安全自动检测、监控及管理系 统”。该系统是一个煤矿安全监控综合信息管理系统，实现了煤矿安全管理信息 系统的综合智能化辅助决策功能和综合性自动控制功能。 本文主要针对“煤矿安全自动检测、监控及管理系统中的瓦斯检测和井下 监控分站的设计展开论述。在对国内外瓦斯监控系统研究对比的基础上，提出了 一种基于现场总线和嵌入式系统的煤矿瓦斯监控系统方案，并设计了煤矿用低浓 度瓦斯传感器和井下智能监控分站。 本文设计的煤矿用低浓度瓦斯传感器和井下智能分站的技术指标完全符合 中华人民共和国安全生产行业标准( a q 6 2 0 3 2 0 0 6 煤矿用低浓度载体催化式甲 烷传感器和 a q 6 2 0 1 2 0 0 6 煤矿安全监控系统通用技术条件的技术要求。 在瓦斯传感器的设计中，采用定压检测法来检测甲烷浓度，克服了传统检测 方法易漂移的缺点，提高了传感器的稳定性。在软件方面，采用了结构化设计方 法，并加入了自动补偿程序，使传感器能够自动调整零点，提高了传感器的准确 度。 井下智能分站以a r m 微控制器为控制核心，采用嵌入式实时操作系统 g c o s i i 作为软件平台，利用u d p 传输协议实现了中心站和分站之间的网络通 信功能，是“瓦斯监控及数据传输系统 的重要组成部分。在硬件方面，采用 n x p 公司的3 2 位a r m 微控制器l p c 2 2 9 4 作为分站的主控芯片，它具有8 路1 0 位a d ，内置c a n 总线控制器，可使用多达7 6 个g p i o ，实现了对现场频率信 号、电流电压信号以及c a n 总线信号的采集。在通信方面，采用u d p 协议实现 了分站与中心站之间的双向通信。在软件方面，将嵌入式实时操作系统l a c o s i i 移植到l p c 2 2 9 4 中，并在此基础上分析了t c p i p 协议栈的实现，详细介绍了几 个主要嵌入式软件任务的实现，并给出了在实际编程过程中遇到的问题及调试方 法。 i 山东大学硕士学位论文 在设计煤矿用低浓度瓦斯传感器和井下分站的同时，设计并实现了符合国家 标准的煤矿用水位传感器和煤矿用负压传感器。截止到本论文完成时，本文设计 的煤矿用低浓度瓦斯传感器、煤矿用水位传感器和煤矿负压传感器已通过国家有 关部门的未定型实验和本安防爆实验，很快将获得煤矿矿用产品安全标志证书并 推向市场。本文设计的井下分站实现了国家标准规定的所有功能，并完成了与中 心站的联合调试，获得了大量数据，为下一步申请煤矿矿用产品安全标志证书打 下了坚实的基础。 关键词：瓦斯监控；传感器；分站；a r m ；现场总线 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no u rc o u n t r y , c o a li sa ni m p o r t a n tb a s i ce n e r g ya n dm a t e r i a l ，a c c o u n t i n gf o r m o r et h a n7 0p e r c e n to ft h et o t a le n e r g y h o w e v e r , t h et r e n do fi t ss e c u r i t yi sn o tf i n e l o t so fc o a l g a se x p l o s i o n so c c o u ro c c a s i o n a l l ya l lo v e rt h ec o u n t r y t h e r e f o r e ，ac o a l m i n ec h 4m o n i t o r i n gs y s t e m 埘t l ll l i g h - r e l i a b i l i t y , h i g h s t a b i l i t yp l a y sa l li m p o r t a n t r o l ei nc o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o n t h i st h e s i so r i g i n a t e sf r o mt h ep r o j c o t t h ec o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n ts y s t e m t h i sc o a lm i n es a f e t ys y s t e mi sac o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m w h i c ha c h i e v e sf u n c t i o n so fs u p p o r t i n g d e c i s i o n m a k i n g i n t e l l i g e n ta n di n t e g r a t e da u t o m a t i o nc o n t r o lo ft h ec o a lm i n es a f e t ym a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m t h i st h e s i si sm a i n l yt a l k i n ga b o u tt h ec h 4d e t e c t i o na n dt h ed e s i g no f s u b - s t a t i o no ft h ec o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e m a c c o r d i n gt o t h ec o m p a r i s o no ft h ec h 4m o n i t o r i n gs y s t e mh o m ea n da b r o a d , an e wp r o p o s a lo f t h ec h 4m i n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nf i e l d b u sa n de m m b e d d e ds y s t e mi sp r o p o s e d ， c o a lm i n em e t h a n es e n s o ra n ds u b s t a t i o ni sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fc o a lm i l l el o w - c o n c e n t r a t i o nm e t h a n et r a n s d u c e ra n d c o a lm i l l en e t w o r ks u b s t a t i o ni si ns t r i c ta c c o r d a n c e 、i t i lp e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a i n d u s t r y s t a n d a r d s f o r p r o d u c t i o ns a f e t y a n d w h e nd e s i g n i n gm e t h a n et r a n s d u c e r , t h eu s eo fn e wm e t h o d ，d e t e c t i n gm e t h a n e 、 ，i t hc o n s t a n tv o l t a g eo ns e n s o r , o v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go fe a s yt od r i f ta n d i m p r o v e st h es t a b i l i t yo ft h es e n s o r o nt h es o f t w a r es i d e ，t h eu s eo fas t r u c t u r e d d e s i g nm e t h o d o l o g ya n da u t o m a t i cc o m p e n s a t i o np r o c e d u r e s ，w h i c hm a k et h es e n s o r a d j u s tt h ez e r op o i n t , i m p r o v et h ea c c u r a c yo f t h es e n s o l a sa ni m p o r t a n te l e m e n to ft h ec o a lm i n ec h 4m o n i t o r i n ga n dd a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h en e t w o r ks u b s t a t i o ni sb a s e do na r m ，r e g a r d st h er e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e mi 上c o s i ia so p e r a t i n gp l a t f o r ma n dr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o n 、析m g r o u n dc o m p u t e rt h r o u g he m b e d d e du d pp r o t o c 0 1 i nh a r d w a r e ，t h ea r mc h i p l p c 2 2 9 4 ，w h i c hh a s8 - c h a n n e l10 b i t sa dc o n v e r t e lc 州c o n t r o l l e ra n du pt o7 6 g p i o i sc h o s e na st h ec o n t r o l l e ro ft h es u b s t a t i o n 1 1 1 es u b s t a t i o nc a l lr e a l i z e sd a t a i i i 山东大学硕士学位论文 a c q u i s i t i o no ff f e q u e n c ys i g n a l s ，c u r r e n ts i g n a l s ，v o l t a g es i g n a l sa n dc a n b u ss i g n a l s i n t e l e c o m m u n i c a t i o n s ，w eu s ee m b e d d e du d pp r o t o c o lt oi m p l e m e n tt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em o n i t o r i n gc e n t e ra n ds u b - s t a t i o n i ns o f t w a r e ，t h e r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mp c o s - i ii st r a n s p l a n t e dt ol p c 2 2 9 4 c h i pi nw h i c ht h e t c p i pp r o t o c o ls t a c ki sr e a l i z e d a tl a s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o no f e m b e d d e ds o f t w a r et a s ka n dt h ed e b u g g i n gp r o b l e m sa n ds o l u t i o n sd u r i n gw r i t i n gt h e p r o g r a m w 1 1 i l et h ec o a lm i n em e t h a n es e n s o ra n ds u b - s t a t i o nw e r ed e s i g n e d ，w ea l s o d e s i g n e dc o a lm i n ew a t e rl e v e ls e n s o ra n dp r e s s u r es e n s o r t i l lt h ec o m p l e t i o no ft h i s t h e s i s ，t h o s es e n s o r sh a v eb e e na d o p t e db yt h er e v e l a n td e p a r t m e n to ft h ec o u n t r ya n d p a s st h ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t sa n de x p l o s i o ne x p e r i m e n t s ，w h i c hw i l lb es o o n c e r t i f i c a t e da n db ep r o m o t e dt ot h em a r k e t n l es u b - s t a t i o ni m p l e m e n t sa l lf u n c t i o n i n v o l v e di nt h en a t i o n a ls t a n d a r d s ，f i n i s h e st h ed e b u gw o r kw i t ht h ec o n t r o lc e n t e ra n d c o l l e c t sl o t so fd a t a , w h i c hl a i d sas o l i df o u n d a t i o nt o a p p l yf o r t h es a f e t y c e r t i f i c a t i o no f a p p r o v a lf o rc o a lm i n i n gp r o d u c t s i v k e y w o r d s ：c h 4m o n i t o r i n g ；t r a n s d u c e r ；s u b - - s t a t i o n ；a r m ；f i e l d - - b u s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丞法业 e t 期：立耸吐：，互 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丞鎏些 导师签名：兰羟i 乏日 期：鲤堕：竺 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的背景与意义 第一章绪论 能源工业是我国国民经济发展的命脉所在，而作为我国支柱产业的煤炭工 业，是我国重要的基础能源和原料来源。随着国家经济的发展和石油资源的日益 紧张，煤炭工业在国民经济中的重要性和无可代替性日益凸显。 但是，我国煤矿安全生产状况一直不容乐观。我国煤矿绝大多数是井工矿井， 地质条件复杂，灾害类型多，分布面广，井下作业的危险系数较高，在世界各主 要产煤国家中开采条件最差、灾害最严重。近年来国家有关部门采取多项政策措 施整治煤矿安全生产，煤矿安全生产形势总体稳定、趋向好转，但由于基础薄弱、 安全管理和安全科技水平相对落后等原因，煤矿安全生产形势依然严峻【l l 。2 0 0 8 年，我国共查处煤矿事故1 9 0 1 起，全国煤矿共发生重特大事故3 8 起，死亡7 0 7 人【2 】。同年，我国煤炭百万吨死亡率仍然高达1 1 8 2 ，与先进采煤国家相比差 距明显。严峻的安全生产状况不仅严重威胁着人民群众的生命安全和健康，也影 响到国民经济的发展和社会的和谐稳定。因此，对井下生产环境参数、通风设备 以及断电控制设备运行状态的监测及控制是很有必要的【3 】f 4 】。 我国煤矿在生产过程中，经常遭受的自然灾害的主要形式有瓦斯灾害、水害、 自然发火灾害、煤尘灾害等。在国有重点煤矿中，高瓦斯矿井占2 1 0 ；煤与瓦 斯突出矿井占2 1 3 ；低瓦斯矿井占5 7 7 。地方国有煤矿和乡镇煤矿中，高瓦 斯和煤与瓦斯突出矿井占1 5 【l 】。随着开采深度的增加，瓦斯涌出量的增大，高 瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的比例还会增加。近年来，瓦斯重特大事故一直高居第 一位。2 0 0 5 年，在全国煤矿一次死亡3 人以上的事故中，瓦斯事故1 5 8 起，占 5 8 9 ，居第一位；在全国煤矿一次死亡1 0 人以上的事故中，瓦斯事故4 0 起， 占6 9 0 。 因此，对矿井瓦斯实行实时监测是实现煤矿安全生产的主要措施之一，对改 善我国煤矿安全生产状况起到了重要作用【5 l 。瓦斯监测系统通过对井下瓦斯浓度 的处理和分析，为事故发生的可能性提供数据资料，以便于提前采取防范措施【6 】； 通过对瓦斯浓度的实时控制，对即将发生的事故给予自动报警、自动实现断电和 闭锁，以避免事故的扩大化。 山东大学硕士学位论文 本论文设计的煤矿瓦斯监测及数据传输系统采用嵌入式系统技术和现场总 线技术，在矿井下主要采用现场总线通讯来提高系统的兼容性、传输的可靠性， 井上主要采用网络通讯实现矿区地面总站与矿局监测中心的实时通信，方便系统 的统一管理。 1 2 研究现状与发展趋势 我国从2 0 世纪8 0 年代开始引进国外的安全监测系统，在1 9 8 3 至1 9 8 5 年之 间，从欧美国家先后引进了数1 0 套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备 煤矿矿井，并相应的引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技术，由此推 动了我国矿井安全监控技术的发展1 7 。在充分吸收国外先进技术的基础上，结合 我国煤矿的特点，国内各大公司也开发出一批监测监控系统，先后有k j 2 、k j 4 t s l 、 k j 8 、k j l 0 、k j l 3 、k j l 9 、k j 3 8 、k j 6 6 、k j 7 5 、k j 8 0 、k j 9 2 等监控系统通过技 术鉴定并在我国煤矿推广使用，实现了对矿井安全、生产方面多种参数的连续监 测和数据处理。9 0 年代之后，更是研制开发出一批具有世界先进水平的监控系统， 如北京仙岛新技术研究所和抚顺安全仪器厂联合开发的k j 6 6 系统 9 1 、煤科院重 庆分院的k j 9 0 系统f 1 0 1 、上海嘉利矿山电子公司的k j 9 2 系统、煤科总院常州自 动化研究所的k j 9 5 系统等。这些监控系统的推广和使用，改善了我国煤矿安 全技术装备落后的局面，有效地预防了瓦斯爆炸等安全事故的发生。但是在使用 过程中，仍然暴露出一些问题，主要有： 1 、网络结构不合理与通信方式不规范 现有的煤矿安全生产监测监控系统都有自己独立的通信系统，如k j 4 使用总 线f s k ，组成主从式通信系统；k j 9 0 使用同步差分四相码，组成半双工通信系 统。网络结构和通信模式多种多样，每种系统都需要建立自己的网络，不利于系 统的更新换代，通信资源利用低下。同时，由于系统硬件不开放，使得其它硬件 产品难以接入系统。 2 、通信协议及信息交换标准不统一 国内生产的安全生产监测监控系统使用的通信协议和信息交换标准均由各 厂商自己制定，严格保密，互不兼容，十分混乱，从而造成各种软件之间无法共 享。 3 、兼容性差 2 山东大学硕士学位论文 除了刚刚叙述的通信协议及信息交换标准的兼容性之外，目前的分站没有考 虑到不同矿井的电气设备兼容以及对各种传感器的兼容。 4 、分站可扩展能力差 对于一个瓦斯监控分站，在设计的过程中就已经投入了大量的人力和物力， 如果不具有一定的可扩展性，将会造成资源的浪费。 随着软件和硬件技术的发展，一些的先进技术正在被应用于煤矿安全监控系 统，主要有： 1 、在线瓦斯浓度校正装置 人工气样校正的优点是设备成本低，人工成本高，需要专职人员携带气样和 工具定期校正。在线气样校正法采用的是自动校正装置，可以定期通气校验，无 需专职人员操作，但设备成本略高。 。 2 、传感器就地断电功能 采用智能型传感器就地断电和中心分站控制断电双重方式，智能型传感器在 瓦斯断电报警时，能直接将断电信号传送到相应的断电设备，可以大大提高断电 系统的反应速度和可靠性。尤其对于高瓦斯矿井和有瓦斯突出危险的掘进面，采 用智能型瓦斯传感器配置用于断电的控制单元，实行就地断电，能有效的防止瓦 斯爆炸事故的发生。 3 、现场总线在安全监控系统的应用 随着现场总线的应用，其优点逐渐显现。由于现场总线采用数字通讯方式， 可采用多种传输介质进行双向多点通信，根据不同的使用地点可选用多种拓扑结 构。另外，现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明 的，不同厂家的设备可以方便地接入同一网络。 4 、数字通讯方式 采用国际标准的i p 寻址方式一- - t c p i p 网络协议【1 1 1 。t c p i p 网络协议可与 管理信息网进行无缝连接。在多个子系统互连，并在需互动、互为约束的系统中 采用对等通信协议，而在集中控制，无关联子系统时，可考虑采用主从通信协议。 5 、与生产监控系统的互动和网络整合【1 2 1 。 1 3 本文的主要工作 一、根据煤矿安全监控系统通用技术要求，完成监测监控系统中井下监控分 山东大学硕士学位论文 站的总体软硬件设计。基本功能如下： l 、与传输接口双向通信及工作状态指示功能。 2 、模拟量采集和显示功能，可兼容数字信号和频率型模拟信号。 3 、具有开关量采集功能，能实现馈电状态、风筒开关、风门开关、烟雾等 开关量采集及显示功能。 4 、具有控制功能，实现瓦斯浓度超限声光报警和断电复电功能以及风电闭 锁功能。 5 、具有初始化参数设置和掉电保护功能，可接收上位机对初始化参数的输 入和修改。 6 、具有自诊断和故障显示功能，死机后可自动复位并通知中心站 7 、分站接收中心站对本分站指定通道输出控制继电器实施手控操作功能和 异地断电功能。 8 、电网停电后分站在满负荷情况下，供电电源连续供电大于2 小时。 二、根据煤矿用瓦斯传感器技术条件，完成智能瓦斯传感器节点的软硬件设 计。实现功能如下： l 、在输入电压9 - - 一2 4 v 范围内正常工作，满足传感器的基本误差要求。 2 、瓦斯浓度数字显示功能。 3 、具有遥控调校功能。 4 、具有声光报警功能。 5 、兼容c a n 总线和频率型信号。 6 、远距离传输功能，传输距离大于2 k m 。 7 、矿用本质安全兼防爆型的传感器结构。 三、实现井下监控分站与上位机、井下智能传感器节点的通讯。 1 4 本文的组织结构 本文的篇章结构如下： 第一章简要介绍了课题的研究背景和国内煤矿瓦斯监测监控系统的发展现 状，指出了当前瓦斯监控系统存在的各种问题，并基于此提出了设计一个具有系 统兼容性、传输可靠性和实时性等特点的瓦斯监控和数据传输系统。 第二章介绍了瓦斯监控系统的总体设计方案和系统设计中涉及到的现场总 4 山东大学硕士学位论文 线设计，并由整个系统引出了本文的主要工作内容一一矿用智能瓦斯传感器设计 以及瓦斯数据传输系统的核心部分一一井下分站设计。 第三章介绍了煤矿用低浓度瓦斯传感器的结构和功能，并给出了一种基于现 场总线的瓦斯传感器的设计方案。详细介绍了传感器的硬件和软件设计，并根据 中华人民共和国安全行业标准的要求对设计的瓦斯传感器进行了部分未定型实 验。 第四章介绍了系统的中心一一井下分站的结构和功能，并给出了一种基于嵌 入式系统和a r m 的井下分站的设计方案。本章的第一部分详细介绍了井下分站 的硬件设计，包括微控制器l p c 2 2 9 4 的最小系统和分站各部分的外围功能模块 的电路设计；第二部分详细介绍了井下分站的软件设计，主要有嵌入式操作系统 l a c o s i i 的移植、t c p i p 协议栈( z l g i p 协议栈) 的实现以及分站应用程序几 个主要任务的具体功能和实现。 第五章简单介绍了系统监控软件的功能及简单实现。 第六章总结了本文工作过程中的得失。指出了本文取得的成果，同时也提出 了本文的不足之处，并对以后的工作给出了建议。 5 坐奎奎兰璧圭耋堡篁兰 第二章系统总体设计及工作原理 本论文的主要工作是设计一个基于c a n 总线和以太网的煤矿瓦斯采集与传 输系统。该设计实现对矿井内矿工工作区域的瓦斯等参数的实时监测，井将检测 数据传输给监测管理系统，供监测与管理系统分析使用，以保证煤矿安全生产顺 利进行。 2 1 系统概述 煤矿瓦斯及数据传输系统的总体网络结构如图2 - 1 所示： b # 十ot 十t 嫣p _ _ _ e = = = = 卜_ “ 日 岛息 图2 - l 煤矿瓦斯监测及数据传输系统总体框幽 煤矿瓦斯监测系统可以分为两个子系统一一采集与传输系统( 井下部分) 和 监控与管理系统( 井上部分) ，采集与传输系统实现对煤矿矿井内瓦斯等现场参 数的检测和传输功能；监控与管理系统实现的功能是对采集与传输系统的数据进 行分析处理，并根据实时监测数据对矿井内的相关设备进行控制。 2 2 工作原理 如图2 1 所示，本文所设计的煤矿瓦斯监控及数据传输系统的工作原理为： 山东大学硕士学位论文 井下监控分站通过c a n 总线采集煤矿矿井里的一系列环境参数( 如温度、水位、 压力、瓦斯浓度、风速等) 以及现场控制信号，并完成现场显示、数据处理、报 警处理和断电控制等功能，然后通过t c p i p 将现场参数传输给地面监控中心， 实现实时监测、历史查询、数据备份等功能。同时，地面监控中心可以发送配置 信息和控制信息到井下监控分站，从而实现对风机、断电仪、采煤机等现场设备 的查询和控制。 2 3c a n 现场总线及其在煤矿安全监测系统中的应用 2 3 1c a n 现场总线技术 作为一种串行通讯技术，c a n b u s 是2 0 世纪8 0 年代中后期适应汽车控制网 络化要求而产生并迅速发展起来的，并已成为开放的国际标准通讯协议( i s o 1 1 8 9 8 ) ，在众多领域得到了广泛的应用。c a n 总线可以根据不同的需要以主从 方式或以多主方式工作。特别在以多主方式工作时，使分布于不同地点的各个监 控设备之间的数据交换显得更为灵活和直接。 c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，取而代之以对通信 数据块进行编码【1 3 】。采取这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受 限制。数据块的标识码可由1 l 位或2 9 位二进制数组成，因此可以定义2 1 1 或2 2 9 个不同的数据块。 c a n 通信数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、 工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而 保证了通信的实时性。c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能【1 4 j ， 保证了数据通信的可靠性。c a n 总线卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计， 使之特别适合工业过程监控设备的互连 2 3 2c a n 现场总线特点 由于采用了许多新技术及独特的设计，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、实时性和灵活性。其特点如下【1 5 l ： 1 、c a n 多主方式工作时，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上 其它节点发送信息，而不分主从。 2 、在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时 8 山东大学硕士学位论文 要求。 一 3 、c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲 突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地 继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。 4 、c a n 节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及 全局广播等几种方式发送接收数据。 5 、c a n 的直接通信距离最远可达1 0k m ( 速率在5k b p s 以下) ；通信速率 最高可达1 0m b p s ( 此时通信距离为4 0m ) 。 6 、c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 l o 个。在标准帧 报文标识符有1 1 位，而在扩展帧的报文标识符( 2 9 个) 的个数几乎不可限制。 7 、报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极 低。 8 、c a n 总线通信介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 9 、c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他 节点的操作不受影响。 1 0 、c a n 总线具有较高的性价比。它结构简单，器件容易购置，每个节点 的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。 2 3 3c a n 现场总线在煤矿安全监测系统中的应用 煤矿安全监控系统在我国已经有多年的研究及应用，但其传输技术一直是系 统研究中的薄弱环节，随着网络技术的发展，安全监控系统的数据传输的重要性 日益突出。根据国家对煤矿企业中现场通讯设备的参数要求，目前在煤矿行业 中在运行的系统中常见通讯方式有串行通讯r s - 4 8 5 、现场总线c a n b u s 、调制 解调m o d e m 、无线通讯等几种方式。 1 串行通讯r s - 4 8 5 国际e i a 协会在1 9 8 3 年制定了r s - 4 8 5 标准，这是一个串行通讯的电气标 准。与第一代的r s - 4 2 2 标准相比，r s 4 8 5 标准支持多点、双向通信能力，即 允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护 特性，扩展了总线共模范围。 r s 4 8 5 标准是一种实现成本较低的多点网络通讯方式，通用r s - 4 8 5 收发 9 山东大学硕士学位论文 器的价格低于1 0 元个。r s - 4 8 5 网络是最常见到的通讯方式之一，单一网络能 够连接3 2 个节点，通讯距离能够达到1 2 0 0 米：r s - 4 8 5 设备可以基于普通单 片机u a r t 端口进行开发，电路设计简单。在工业自动化设备、分布式数据采 集、楼宇安防、早期的煤矿网络等领域，r s 4 8 5 设备是最常见到的通讯设备之 一o r s 4 8 5 标准也有许多不足，尤其是在比较复杂的网络结构中，r s - 4 8 5 难以 保障数据的实时性、网络的可靠性。最新的行业标准中，要求煤矿设备能够在不 加辅助网桥的情况下，连接长达4k m 的网络，这也是r s 4 8 5 标准难以逾越的 技术鸿沟。因此，r s - 4 8 5 标准在煤矿行业出现的机会将越来越少。 2 调制解调m o d e m 调制解调( m o d e m ) 即利用模拟信号传输线路来传输数字信号。调制的过程 是发送方将数字信号“翻译 成模拟信号，然后通过模拟信号传输线路进行远程 传输；解调的过程是将来自模拟传输线路的模拟信号“翻译”回数字信号， 供 接收方阅读并处理。最常见的产品如p c 机调制解调器，利用电话线路实现计 算机上网。 调制解调方式能够实现远距离的数据通讯。但是，构建多点网络的不便利， 以及相对较高的设备硬件成本限制了调制解调方式在煤矿行业的应用。 3 无线通讯 无线通讯z i g b e e 是一种符合i e e e8 0 2 15 4 标准的、短距离的高频无线通 讯标准，具有低成本、低耗电、双向传输、高可靠度、自动感应网络功能等特性。 z i g b e e 技术是近几年才发展起来的新技术，主要应用在监测、控制与自动 化等市场。由于目前z i g b e e 产品的开发成本较高，且只适合短距离、小范围内 通讯；虽然已在煤矿行业有了一些研究性质的探索与应用，但主要集中在人员考 勤与r f i d 识别类产品，属于小范围现场网络，并不真正能够满足煤矿行业较 多设备联网的应用。 与z i g b e e 的应用相类似，已在煤矿行业进入批量应用的无线通讯还有 4 3 3 m z 的n r f 无线数传技术，但也属于短距离无线数据通讯，主要被用在人员 考勤与r f i d 识别上。 4 现场总线c a n b u s c a n b u s ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线最早由德国b o s c h 公司提出，主 1 0 山东大学硕士学位论文 要用于汽车内部单元与控制中心之间的数据通信。由于其良好的性能，被广泛应 用于其他领域中，如工业自动化、汽车电子、楼宇建筑、电梯网络、电力通讯和 安防消防等诸多领域，并逐渐成为这些行业的主要通讯手段。 c a n b u s 总线具有诸多优点( 参见2 3 2 小结) ，同时与其它几种通讯方式相 比，现场总线c a n b u s 在网络开放性、通讯可靠性、网络通讯距离、网络节点 数目、数据传输实时性、系统设计成本等方面都具有强大的优势。目前，基于开 放的现场总线c a n b u s 技术，构建煤矿行业的通讯网络，或开发特定功能的通 讯设备，都已经不会存在技术上的门槛。而且，现场总线c a n b u s 本身是符合 本质安全要求的。因此，通过c a n b u s 构建煤矿现场设备网络具有广阔的应用 前景。 山东大学硕士学位论文 第三章煤矿用瓦斯传感器设计 煤矿用瓦斯传感器是煤矿瓦斯监控及数据传输系统的眼睛，是煤矿中用来监 控井下瓦斯浓度的最直接最有效的工具。本章主要介绍瓦斯传感器的结构、功能 以及软硬件设计。 3 1 瓦斯传感器检测原理 瓦斯爆炸事故是煤矿生产事故中造成损失最严重的一种，因此，做好煤矿瓦 斯监控，防止瓦斯爆炸事故的发生，对煤矿安全生产具有举足轻重的作用。 瓦斯发生爆炸要同时满足以下三个条件【1 6 】： 一、瓦斯浓度要达到或超过特定条件下的瓦斯爆炸浓度限； 二、空气中要有足够的氧气； 三、要有引爆的火源。 以上三个条件缺一不可。 只要煤矿矿井正常生产，就必须向工作区域供给一定的氧气，那么条件二爆 炸现场的空气中要有足够多的氧气这个条件是时刻存在的。另外，煤矿矿井虽然 采取了诸如设备防爆、安全炸药、防静电材料等安全措施，但是在工作中，要避 免产生能引爆瓦斯所需的能力是无法保证的，因为引爆瓦斯仅需要0 2 8 m j 的能 量。所以，只有在瓦斯浓度不超限的情况下工作才是最安全的。由此可见，实时 监测矿井中的瓦斯浓度是实现煤矿安全生产、防止瓦斯爆炸事故产生的唯一有效 的手段。 热催化原理的瓦斯检测仪器1 1 7 】是当前国内外测量低浓度瓦斯使用最普遍、应 用最成功的检测仪器之一。它是利用催化物能使低浓度瓦斯在较低的温度下发生 无焰燃烧，因不同浓度的瓦斯在催化燃烧时所产生的热量不同，用温度的变化来 测量瓦斯浓度的测量仪器。目前，瓦斯测量的传感元件主要是载体催化元件，其 组成是在铂丝元件的表面烧结三氧化二铝作为载体，再在载体上加钯( p d ) 、铂 ( n ) 、钍( 1 1 1 ) 等作为催化剂。载体的作用是提供较大的无焰燃烧空间。在这 种载体催化元件中，铂丝线圈仅作为加热器和电阻温度计，而不直接参与瓦斯的 氧化反应，大大降低了蒸发损失，提高了瓦斯检测的精度，从而获得了广泛的应 用。 热催化原理检测瓦斯浓度的优点是输出信号大，线性度好，有利于信号处理 1 3 山东大学硕士学位论文 和显示，从而简化了电路和仪器的结构。测量时受温度、二氧化碳含量等影响较 小，可以省去各种吸收剂。因此，本文也采用了这种检测原理来实现瓦斯检测。 本文设计的智能瓦斯传感器的系统原理框图如下： 输出信号 直流9 2 4 v 电源 ， 部分 d 数码管显示 5 v 己 一声光报警 保 c p u 护 电 遥控键盘输入 1 路 ! 内置 i e e p r o m 一c a n 总线输出l 上 。_ 一_ 瓦 j蜗古搂山l 斯 敏 信号调 内置1 0 感 理电路 位a d d 出生l l 岛i “ 1 j ，工巾u 邗u 山 l 头 图3 - 1 瓦斯传感器系统原理图 该瓦斯传感器主要由载体催化元件、信号调理电路、微控制器、数码管显示、 c a n 总线和频率输出、控制输出等部分组成。该传感器采用载体催化元件来检 测瓦斯浓度，热催化元件和电阻组成惠更斯电桥，当环境中的瓦斯以扩散方式进 入气室时，与敏感元件反应，电桥有与瓦斯浓度相对应的电信号输出，该信号经 过信号调理电路和a d 转换器转换后，再经过单片机进行数据处理，完成显示、 报警和与分站通信等功能。 3 2 瓦斯传感器的硬件实现 3 2 1 传感器电源 传感器电源部分原理图如图3 2 所示，采用美国国家半导体的开关电源芯片 l m 2 6 7 4 1 1 8 1 和德州仪器开关电源芯片t s p 6 2 2 0 3 1 1 9 1 为传感器提高所需的电源，这两 款开关电源芯片的电压转换效率均达到9 0 以上，有效的提高了电源的利用效 率。其中，v i n 是外部输入电源，接煤矿用防爆电源输出的9 2 4 v 直流电源。 e 1 、e 2 是输入输出滤波电容，对输入输出电压滤波，以提高输出电压的稳定性。 d 1 是保护二极管，防止电源正负反接时损坏整个传感器内部的器件。c b 、l 1 、 d 2 是开关电源工作时所必须的工作器件。整个传感器的电源分为两个部分： 1 4 山东大学硕士学位论文 v c c 是单片机、红外解码芯片、l e d 显示等集成电路的供电电源：+ 3 3 v 是载 体催化元件、传感器信号调理电路的工作电压。 = 一一 图3 - 2 瓦斯传感器电源部分原理图 3 2 2 微控制器 传感器选用n x p 的8 位工业级高性能微控制器p 8 7 c 5 9 11 2 0 】作为控制核心。 p 8 7 c 5 9 1 是8 0 c 5 1 微控制器的派生系列，它采用了强大的8 0 c 5 1 指令集并成功 地包含了n x p 半导体的s j a l 0 0 0c a n 控制器的p e l i c a n 功能。其主要功能特性 如下： 全静态8 0 c 5 1 中央处理单元，并提供了扩展的节电方式。振荡器可停止 和恢复而不会丢失数据 1 6 k 字节内部程序存储器，5 1 2 字节片内数据r a m 3 个1 6 位定时计数器t o 、t 1 和附加的t 2 6 路模拟输入的l o 位a d c ，可选择快速8 位a d c ，且空闲模式中a d c 有效 带字节方式主和从功能的i i c 总线串行接口 片内看门狗定时器t 3 改进的1 ：l 内部时钟预分频器在1 2 m h z 外部时钟速率时实现5 0 0 n s 指 令周期 增强型p e l i c a n 内核，支持1 1 位标准标识符和2 9 位扩展标识符 3 2 3 瓦斯检测方法及可靠性设计 目前，催化燃烧式瓦斯传感器采用的检测方法通常是电桥检测法【2 1 1 ，即将载 体催化元件的工作元件r 1 、补偿元件i 毪和电阻r 3 、r 4 组成惠更斯电桥，如图 1 5 山东大学硕士学位论文 3 3 所示。给电桥供以恒定的电压u ，利用载体催化元件对瓦斯的催化作用使瓦 斯在工作元件表面发生催化燃烧，燃烧产生的大量热量使得工作元件的温度升 高，阻值增大，电桥输出一个不平衡电压信号。通过检测输出的电压信号，来测 量瓦斯气体的浓度。 图3 3 电桥检测法电路原理图 设r 3 = = r ，与瓦斯发生反应后，载体催化元件的工作元件电阻的变化为 r ，则电桥的输出电压为： u 。：一u 竺丛 ( 式3 1 ) “ 2 r + r ， 由式3 1 可知，电桥输出的电压变化呈非线性。另外，在电桥检测法中，载 体催化元件的温度随被测甲烷气体浓度的增加而升高，大量实验表明【2 2 】，载体催 化元件的工作温度越高，其活性衰减的越快，稳定性越差，因此，本文采用了定 压检测法【2 3 】【2 4 1 ，即通过反馈调节电路使载体催化元件的工作电压在检测甲烷气体 时保持不变。定压检测原理电路如图3 _ 4 所示： 1 6 r 图3 4 定压检测法电路原理图 山东大学硕士学位论文 定压检测法的工作原理是：选择合适的基准电压源v ，使得电压u 1 为载体 催化元件的额定工作电压。若电压u i 增大，则u 尸2 瓦 i u i 增大比较器b 的输出减小，使得三极管q 的基极电流减小，导致集电极电流减小，流经电阻 r 3 、心的电流减小。由于放大器b 的输入电阻极大，故u = i s ( r ，+ 尺。) 减小； 同理若电压u 1 减小则u p2 瓦 i u 减小，比较器b 的输出增大，使得三 极管q 的基极电流增大，导致集电极电流增大，流经电阻r 3 、凡的电流增大。 由于放大器b 的输入电阻极大，故u 。