（测试计量技术及仪器专业论文）井筒安全监测报警系统.pdf

山东科技大学硕卜学位论文 摘要 摘要 针对目前井简安全监测的现状及存在的 = 要问题，我们设计了。种集信息采集技术、 信息传输技术、信息处理技术及预测预报技术丁一体的井筒安全监测报警系统。该系统 将井筒整体变形监测和局部受力监测相结合，山各种智能传感器完成现场数据采集，再 由通信分站将监测数据送入监控计算机，n 以仝而、实时、自动地对监测数据进行集中 己录、处理、存储和报警，在此基础 ，j 监控计算机将有关信息送入局域网络，有关人 员通过计算机网络，就可对系统蛲测数据和工作状况进行浏览、查询和控制。满足了生 产单位对井筒的工作状态实行全面、实时、艮期监测的要求。 本文着重阐述了系统方案的选择，通信分站、智能传感器、通信接口及监控计算机 软件的设计思路、工作原理、实现方法，并详细介绍了相关硬件电路和软件工作流程的 设讨。 本系统优化了传统的井筒安全监洲系统，将多种监测技术相结合，实现了井筒安全 监测的自动化、智能化、模块化、层次化和网络化，具有较高的社会推，“价值。 关键词：井筒安全监测、通信分站、w 7 7 e 5 8 、r s 4 8 5 总线、智能传感器、m b u s 总线、 p 8 9 l p c 9 3 2 、通信接口、中文峪控软件、b s 结构 旦堡堡堕型苎堑生堂堡塞 塑鐾 a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h es h a f ts a f e t ym o n i lo r in gs t a t u sq u oa n dt h ee x is t in gm a i n p r o b le m ，w ed e s i g n e dt h iss h a f ts a f e t ym o n it o r i n ga n da 】a r m in g s y s t e mw h ic h in t e g r a t e sm o d e r ns i g n a g a t h e r i n gt e c h n 0 1 0 9 y ，s i g n a lt r a n s m itt in gt e c h n o l o g y ， c o m p u te f inf o r m a ti0 1 7 p r o c e s s i n gt e c h n o o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y t h es y s t e m ，w h ic hc o ll e c t st h ef ie ldd a t at h r o u g ha l1 k in d so fs e n s o r s ，a n d ih e nt r a n s m i t st h e m o n i t o r i n g d a t a1 o t h es u r v e ii1 a n c e c o m p u t e rb y th e ( ：o m m u n i c a t i o nd is t r i b u t e ds l a t i o n s ，c o m b in e ss h a f tb o d yd e f o r m a t i o nm e n i t o t i n g a n dl o c a lb e a r i n gm e n it o r i n g t h es y s t e mc a nr e g is t e r p r o c e s sa n dm e m o r yt h e m o n it o r i n gd a t at o g e t h e ra n da l a r mc o m p le t e i y ，r e a lt i m ea n da u t o m a t lc a l l y 0 nh a s i so ft h i s ，t h es u f v e il j al t c e c o m p u t e rw i l ls e n dt h er e l a t e din f o r m a t j o n t ot h el o c a la r e an e t w o r ks ot h a tt h er e l a t e dw o r k e r sc a nb r o w s e ，in q u if ea b o u t a n dc o n t r o lt h e s y s t e mb yt h en e t w o r k f h es y s t e ms a t js f ie st h ep r o d u c t i o n u n i t s d e m a n dt h a ti tc a r lm o n i t o rt h es h a f tw o r k i n gs t a t ec o m p ie l e ly ，r e a l 1i m ea n dc h r o n i c a l1y t h isp a p e rm a i n lyi n t r e d u c e st h ec h o i c eo ft h es y s t e mp r o j e t t ，c o m m u n jc a t i o n d js t r ib u t e ds l a t i o n ，in t e l 】i g e n ts e n s o r ，c o l n n u a ic a t i o ni n t e r f a c ea n dt h e m e t h o do ft h es u r v e i l l a n c ec o m p u t e rs o f t w a r e ，w o r k i n gp r in c i p le ，r e a l iz in g mr ? t h o d ，t h er e l a t e dh a r d w a r ec i r c u ita n dt h ed e s i g no ft h es o f t w a r ew o r k i n g f 1o w t h es y s t e mo p t i m iz e st h et r a d il i o u a ls h a f ts a f e t ym o n i t o r i n gs y s te m 】t c o m b in e sm a n yk i n d so f m e n i t o r i n gt e c h n i q u e sa n dt e a l iz e sa u t o m a t iz al i o n in t e lli g e n e e ，m o d u l a r iz a t i o n ，h i b e r a r c h ya n dn e t w o r ka n dh a sg r e a tv a l u eo f s o c i a lg e n e r a l i z a t i o n k e y w o r d s ：s h a f ts a f e t ym o n i t o t in g ，c o m m u n ic a t i o nd is tr ib u t e ds t a t i o n ，w 7 7 e 5 8 ， r s4 8 5b u s ，jn t e 1 j g e n ts e n s o r ，b l l j s b u s ，p 8 9 1 p c 9 3 2 ，c o m m u n ic a t i o n i n t e r f a c e ，c h i n e s em o n i t o r in gs o f t w a r e ，b ss t r u c t u r e 1 1 东科技大学倾卜学位论_ 殳 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及意义 井筒对于立升开拓方式的矿井来说是极其重要的生产和：交仝设施，是市井牛产过程 所必须经过的唯一通道，所以井筒在运营期间的畸测与维护是曰】井安全生产中所必不可 少的工作内容，但【主i 于各种原因，此项工作没肯得到很好地实施，以致一些矿井在井筒 发生严重破坏时才发现对煤矿的安全生产造成了重大影响。自1 9 8 7 年以来，我国华东 地区的徐州、大电、淮北、兖州、永夏等矿区先后有6 0 多个井筒发，i i 井壁破裂事故，严 重影响煤矿的安全和j 下常生产，造成了巨大的经济损失，引起了矿山各级领导及有关 家的高度重视。有关专家、学者和工程技术人员通过现场调研、室内模拟和理论分析， 已基本弄清了井壁破坏的主要原因，最后得出的结沦均为：由于矿井排水、地下水位下 降、表土层下沉和固结等原因，使地层相对井壁有相对移动趋势，存井壁卜产生厂竖直 向f 的附加力，当附加力达到一定程度后，造成井壁破坏。为解决这一问题，新建立井 般采用可缩井壁结构，该结构可较好地抵御表_ t 含水层水位下降而引起的地层沉降， 但旋t 过程中井壁也出现了不同程度的破坏，破坏原因是多方面的，如地层因素、冻结 因素、施工：因素、设计因素等。 通过有关井壁破裂的埋论分析可知，无论哪种原因造成的井壁变形，其变形、破坏 部足一个渐进损伤的过程。如果对井筒的运行状况进行监测，提前发现，采取有效措施， 就r 叫弘避免恶性事故的发生和重大的经济损失。 为了对立井井筒的稳定性实现全面自动监测，我们有必要研制套新型的井筒安全 豁测报警系统，以便随时掌握井筒运行期问影h i l l 定性的各个因素的变化状况。 本系统的研制成功具有以下几方面的意义：首先，本系统实现了对井筒稳定性的全 【f 】、自动监测和报警，以便及时采取措施，减小损失；其次，实现了数据集中处理、存 储、报警，并送入计算机局域网络，从而节省出人量的人力、物力资源，必将推动工业 现代化的发展进程；再次，通过对监测数掘进行分析，可进一步认识井简破坏规律，对 监测疗法实行调整，从而更准确地获得井筒破坏的特征量，提高报警的可靠性：掌握了 抖筒破坏规律，还有助于改进新井筒的设计和井筒的维修加固以达到对井筒的稳定 ! ! 蔓塑垫查兰堕主兰竺堡苎 性实现控制，彻底保证井筒安全运营。具有重要的社会意义。 绪论 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 理论研究现状 国内外对井简安全问题作了大量的研究，针对井筒变形、破裂的原因，在理论上取 得 广极为可观的成果，对实际的监测工作具有重要的指导意义。国内外专家、学者对竖 井井简破坏机理的认识可概括为横向力、纵向力和井壁结构不合理及旌工质量差3 种观 点。 i 2 1 1 横向力观点 该观点认为导致井筒变形破坏主要式水平应力在松散层与基岩风化壳结合部附近井 壁中的高度集中。这种应力可能来源于区域地震及新构造运动对竖井变形破坏的作用。 1 2 1 2 纵向力观点 该观点认为纵向力是导致井筒变形破坏的主要原因，即纵向应力在松散层与基岩风 化壳结合部附近井壁中的高度集中。该力与矿区松散沉积物地步含水层被压缩有关。矿 区开采排泄松散沉积物地步含水层中的地下水导致底部含水层被压缩，从而引起上覆地 层沉降；沉降土体对竖井井壁产生向下的负摩擦力。由于基岩在土体沉降过程中是相对 静止的，与其接触的井壁也相对静止。于是井壁水平面上的纵向应力由于负摩擦力的累 积在接合部打到最大值。 】，2 1 3 井壁结构不合理及其施工质量差 该观点认为井壁结构不合理及其施工质量筹是造成井简变形破坏的主要原因。 1 2 2 并筒监测工作现状 基于以上理论研究成果的指导，近年来工程界和学术界进行了大量实测工作，提出 了许多基于新理论新方法的井筒变形监测装置，已有一些产品应用于生产，为保证安全 生产提供监测数据。积累了不少宝贵经验。目前采用的监测方法大致分两种： 1 22 1 传感器测量法 一种是基于岩石力学的力学参数监测方法，即传感器法测井筒局部变形量，将各测 点的数据结合，推广至整个井筒，如混凝土应变计测井壁内应变、井壁温度分布测量、 2 山东科技大学硕士学位论文 沉降仪测表土层沉降量、水位仪测含水层水位等 测自动化、高效、劳动强度低，小占用井筒时间 锗论 传感器法分析这种方法实现了变形监 这些观测手段各有所长，但同时也都 存在着弊端，还不足以获取井筒稳定状态的所有特征量，难以实现井筒安全预警。 1 2 2 ，2 几何测量法 另一种是基于变形测量理论的几何铡量方法，直接测量井筒的整体变十牛状况，如钢 丝绳基准线法、精密钢卷尺伸长法、俩垂线法等，可直接测量变形，比较直观，了艺比 较简啦、造价低廉，但采用上述方法测量刚，都需要很多人在现场严密配合完成，且观 测时间占用井筒，观测结果不精确，仅限丁二表面数据，不能掌握井筒局部受力状况，监 洲效果不甚理想。 1 3 目前存在的问题及本文要研究的内容 以上所述的井筒变形监测的各种技术方法都有自己的特点以及适用范围，随着人们 对变形监测对象、目标和内容的耍求愈来愈岛，有时只靠单一种技术方法难啦实现监蒯 目的，因此，在实际工程测量过程中，要综合考虑各种技术方法，才能收到满意的效果。 现代科技特别计算机技术的高速发展，带来了信息领域的空前繁荣，信息采集技术、 信息处理技术、信息传输技术等相互融合，协调发展，为井筒变形测量技术的发展提供 了新的契机。 本文：晦信息采集技术、信息传输技术、信息处理技术及计算机网络技术等楣互融合， 将井筒整体变形监测和局部受力豁测相结合，提m种切史可行的井筒安全监测报警系 统，可以垒面，实时、自动地对监测数据进行自动记录、处理、存储和报警，并将何关 信息送入计算机局域网络，有关人员只要打开各自的计算机，就可通过网页浏览、奄询 全部监测内容，输出监测信息和处理结果，并可对监测系统进行远程控制。满足了生产 单位剥井筒的工作状态实行全面、实时、长期监测的要求。 为达到以上的总体要求，本文主要做 r 以下工作： 1 针对目前井简安全监测过程中存在的商题，设计更科学合理的总体监测方案，根 据系统工作现场的需要，选择适台本系统的总线方式。 2 根据总体监测方案，进行各个部分模块的硬件、软件设计。 2 根据总体监测方案，进行各个部分模块的硬件、软件设计。 坐查型垫奎兰堡主兰垡丝苎 堡堡 3 编制监控计算机软件。 具体的设计过程将在后面的各个章节中进行介绍。 井筒内多存在淋水、煤尘、落煤、振动等，环境十分恶劣，在其中使用的精度高、 稳定性好、实时测量的监测系统还很少。在本系统的研制过程中，考虑了立井井筒的特 殊环境，为确保监测系统能够长期、可靠地运行，对系统的各种仪器设备提出了相应的 技术要求，对各监测层面的监测仪表和线路都采取了有效的防护措施。以下是系统的技 术指标： 系统容量1 2 7 台通信分站1 2 7 台智能传感器 系统巡检周期 3 0 s ( 一股为1 0 s ) 地面控制室主机与地面通信接口的通信 a 通信方式 异步时分 h 接口形式 r s 一2 3 2 c 通信速率 2 4 0 0 b p s 地面控制室通信接1 3 与井口通信分站的通信 a 通信方式 异步时分 b 接口形式 r s 一4 8 5 总线 c 通信速率 2 4 0 0 b p s d 通信介质 阻燃式矿用两芯电缆 e 无中继最大通信距离 术1 5 k m 井口通信分站与智能传感器的通信 a 通信方式 异步时分制 b 接口形式 m b u s 总线 c 通信速率 6 0 0 b p s d ，通信介质 阻燃式矿用p 目芯电缆 e 无中继最大通信距离 术l o k m 智能传感器测量精度0 5 f s 4 山东科技大学硕十学位论文 系统总体方案 2 系统总体方案设计 2 1 监测参数与方法的确定 有关专家、学者和工程技术人员在通过理论分析、室内模拟和现场实测，己基本弄 清了井壁破坏的原因，主要包括井壁所承受的横向力、纵向力、含水层水位和井壁结构 等因素，掌握了有关井筒稳定性的这些参数的变化状况，也就掌握了整个井筒的安全状 况，因此，我l f j 研n 的井筒安全监测报警系统的测量内容包括以下几个方面。 2 1 1 并筒整体变形监测 2 1 1 1 竖向变形监测 通过监测竖向变形可掌握井壁竖向压缩量，进而推算竖向应力。如图2 1 所示，竖 向变形监测采用超铟棒作为基线，超铟棒的长度受温度、湿度等影响极小，具有小于1 06 的膨胀系数，强度大、测量精度高是最理想的长度基准材料。选择好要监测的区域后， 在监测区域的上下两边选择两基点，超铟棒的一端固定于上基点，另一端与位移传感器 的活动杆相连，位移传感器固定于f 基点。当井壁发生竖向变形时，两基点之间距离便 发生变化，引起位移传感器与其活动杆的相对移动，位移传感器将移动量转化成电频率 信号，测量电频率信号的频率值即可得到移动量。由于基线长度恒定不变，传感器测量 的移动量就是上下两基点之间的位移量。 2 i ，1 2 径向变形监测 为测量井筒内水平断面的径向变形，在井筒内4 个方位各设置1 条垂直基准铡丝线， 由重锤拉直。钢丝的两端应设在井壁变形比较小的位置，一般下端设在基岩段， = 端尽 量往上设。在监测水平的井壁上安装位移传感器，位移传感器的活动杆连接到钢丝上。 当井壁发生径向变形时，位移传感器与其活动杆的相对移动，由于钢丝基线位置基本不 变，故传感器测量的移动量就是井壁的径向变形量。比较不同监测水平的径向变形量， 还可知道井筒是否发生弯曲。 旦堕塑塑童查兰塑型兰兰壁垦翌二一 墨堑璺堡查塞 竖 向 变 形 测 量 图2 1井筒断面示意图 f i g2 is h a f tt r a n s e c ts k e t c hm a p 径 向 变 器 鬟 量 2 1 2 局部应变监测 局部应变反映局部井壁的受力情况。测量方法是：在井壁上开槽，将传感器安装于 井壁内。当局部发生变形时，测量应变的方法更灵敏。混凝土应变传感器能够准确测定 所在点处的井壁应变反映，同时，该测定值还可以近似代表传感器所在水平的井壁整体 应力，应变关系以及反映作用在井壁上的外部荷载分布规律。 2 1 3 罐道缝监测 井筒内的罐道与井壁相连，上下罐道之间都留有伸缩缝，以防井壁纵向变形时，引 起罐道破坏，罐笼脱离罐道，酿成重大事故。随着井壁的竖向压缩，罐道伸缩缝在不断 减小，当伸缩缝将要合上时，矿上一般采用气焊再重新割1 条缝。罐道伸缩缝的大小一 般由人工手动测量，比较麻烦，占用提升时间，且伸缩缝旦出现异常不能及时发现， 易造成重大事故，所以，很有必要对罐道伸缩缝的大小实行自动监测，一旦合上立刻报 警。很显然，测量了罐道伸缩缝的压缩量也就知道了井壁的竖向压缩量。另外，罐道还 坐墨型垄查兰堡主兰堡堡兰 墨垄璺竺垄兰 会发生水平移动，其危害性更大，因此，对罐道水平和竖向的移动量进行监测具有重要 意义，既可保证罐道安全，又可为预测井壁的安全性提供重要数据。罐道缝的测量方法 井擘竖向变形测量方法相同，只不过两基点选择在卜r 两罐道上。罐道水平移动量的 监测方法与升壁径向变形测量方法相同，园罐道梁同定在井壁上，位置相对同定，一叮将 两暴点选择在上下两罐道粱上。 21 4 主要含水层水位监测 存井生产过程中，矿井输水及1 农业生产取水，可能使地f 水位下降而造成松散 层的压缩、地表沉陷，当由此产牛的作用在井壁上的附加应力增加到一定程度时，叮能 会发一井壁变形，对主要含水层水位监测，可用于分析井壁变形与水位下降的关系及其 变化规律。 2 2 系统总体结构设计 受对以上所述监测参数进行精确测量，必须由先进、高效的监测系统来保证，本设 计庄现自监测系统的基础上，加以优化，使之更符合上作现场的需要。 2 2 1 传统监测系统的结构 现有的监测系统的结构如图2 2 所示，传感器直接连接到峪测分站，监测分站通过 模拟玎关分时采集传感器信号，同时完成数据存储及与监控计算机数据交互的功能。 图2 2 现有监测系统结构框斟 f i g2 , 2e x i s t i n gi n s p e c ts y s t e mc o n f i g u r a t i o nf r a m e 这种结构的监测系统具有以f 不足： 掣尝粪姿祟娑譬- 百忑= 烹一一 墨堑整堡塑 ( 1 ) 采用这种结构，每个传感器都需要使用单独的电缆与监测分站相莲，弄焉蘸苌酉 此系统测点分散，所以需要使用大量的电缆，会占用井筒狭小的：r = 作空间，且安装、维 护工作复杂。 ( 2 ) 井简中要监测的参数众多，园此传感器种类较多，而不同的输入信号又需要不同的 峪测分站来处理，所以在系统设计工作中，要设计多种监测分站，设计工作复杂。 ( 3 ) 各类传感器必须配接在对应的监测分站上，很容易发生误接，安装工作复杂。 ( 4 ) 监测分站负担繁重，微控制器的编程工作复杂。 ( 5 ) 每台监测分站所能接的传感器数量有限，要满足井f 多测点的要求，只能增加监测 分站的数量。 2 2 2 本系统的总体结构 本系统中，所有传感器与分站的连接采用总线方式，即每个传感器都设计有总线接 j ，所有传感器挂接在一条总线上，就r j 丁以实现与通信分站的数据交互。且每个传感器 都通过数据采集电路完成被测参数的测量，这样，传感器集测量数据采集、数据发送于 体，称为智能传感器。 因井简内要监测的内容较多，各种智能传感器都直接向分站发送测量结果，这样就 大大降低了对分站的要求，将复杂的监测分站简化为通信分站。通信分站来完成测量数 据的接收、存储及向监控计算机发送的功能。一台通信分站可同时接入多达1 2 7 台智能 传感器。有效的弼补了传统监测系统中存在的不足。 如图2 3 所示，系统主要由各种智能传感器、通信分站、通信线路、通信接l i 及监 控计算机组成。系统分为三个网络层次，第一层由智能传感器和通信分站组成，分伟在 各脏测层面的智能传感器完成被测量的测量，并通过一条公共传输线路将测量数据远传 至井口的通信分站，通信分站按照地址依次控制各智能传感器执行测量工作，并读取和存 储测量数据；第二层由通信分站和监控计算机组成，井口的通信分站通过另一条公共传 输线路将存储的测量数据传送至控制室的监控计算机，监控计算机通过发送不同的地址 依次选运备通信分站，读取其存储的测量数据，实现数据集中处理、存储、报警，并将 有关信息送入计算机局域网；第三层为计算机局域网，监控计算机作为网络节点，兼有 文件服务器功能。有关人员只要打开各自的计算机，就可通过网页浏览、查询全部监测 内容，经过授权还可以对本系统进行远程控制，从而随时掌握关系井筒安全的所有参数 山彖科技大学砸上学位论史 系统总体方案 的变化情况。 图23 系统总体框图 f i g23 c o l l e c t i v i t yf r a m e 本设计结构层次化，编程模块化，便于系统扩展，特别适合井简监测这种测点数量 多且分布范围广的系统。这种设计结构也通用丁其它监测系统，为建立煤矿综合监测系 统提供了良好的解决方案。 旦堕翌兰堡苎兰塑生兰鲨苎 墨堕璺堡查塞 2 3 总线方式选择 2 3 1 通信分站与监控计算机的通信方式选择 计算机串行通信口输出的r s - 2 3 2 信号是专门为点对点( 即只用一对收、发设各) 通信而设计的，只适合本地设备单发、单收信息，最大传输距离仅为15 米。因此，各个 通信分站与监控计算机之间要另外选择适合的通信方式。 随着控制技术、计算机技术和遽信技术的飞速发展，数字化作为一种趋势i f 在从工 u e 生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。现场总线是实现 智能化现场设备与高层设备之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。通过它可以 实现跨网络的分布式控制。自8 0 年代术以来，有几种类型的现场总线技术已经发展成熟 非且广泛地应用于特定的领域。在分布式测控系统中，应用最广泛的现场总线是c a n 总 线和r s - 4 8 5 总线。 c a n 是控制器局域网络( c o n t t o l e ta r e an e t w o r k ) 的简称，主要用于过程监测及控 制。它最早是在2 0 世纪8 0 年代初在汽车行业首先提出的，c a n 具有很高的f 叮靠性和卓 越的性能，特别适于工业过程监控设备的互联。c a n 属于总线形结构，采用同步、串行、 多辛控节点、双向通信数据块的通信方式，不分主从节点，网络 ：每一个节点都呵以主 动发送信息可以很方便地构成多机备份系统。c a n 总线虽然具有诸多优点，但也有它 的适用范围，且c a n 总线接 1 电路包括协 义控制器和接e l 收发器等，比较复杂。本系统 一 ，现场各个通信分站是独立工作的，它们之间无数据交换，不适合采用多主结构。因 此，c a n 总线不适合本系统。 r s 4 8 5 是r s - 4 2 2 的变型，r s 一4 8 5 为半双工，当用于多站互连时，可节省信号线，便 于高速远距离传送。r s - 4 8 5 通信协议是双向、平衡传输线标准。它支持多点连接，允许 创建多达2 5 64 节a 6 9 网络，并且在传输速率为l o k b p s 和使用双绞线作为传输介质时 传输距离可以达到1 2 0 0 m ，或者在网络中增加中继器，以扩大网络节点数量和系统监控范 围。r s 一4 8 5 标准支持半双工通信，即只需要两根线就可同时进行数据的发送和接收，系 统成本低，线路简单。 本系统中，各个通信分站之间无数据变换，所有通信分站都要由监控计算机控制，主 o 当! ：婪垫! ：兰堡主兰竺笙塞 墨堕壁堕立塞 从式r s 4 8 5 总线结构恰好适合本系统的通信特点，为此，我们选择主从式r s 4 8 5 总线作 为通信分站与螺控计算机的通信方式。 2 ，3 ，2 通信分站与智能传感器的通信方式选择 本系统中，在井下不同的深度设置监测层丽，在各个监测层向安装智能传感器。有 的井筒深达千米甚至数千米，因此，智能传感器的分布范围较广，井下1 作环境恶劣， 地面的通信分站与智能传感器之蝴的距离较远，且所有井下设备都要求使用本安电源供 电，随着爿深的增加，艏测层面增多，防爆电源的数量增多，安装维护丁作更加复杂。 冈此，采用适当的供电方式和通信线路，对保证系统的l f 常工作和测量数据的有效可靠 的传输是至关重要的。 为此，我们使用远程供电方式，所有井f 智能传感器都由地面的本安电源远程供电。 为了保证通信可靠性，通信线路都要求使用独立的电源供电，而r s - - 4 8 5 总线要求额外 的供电电源。为解决这一突出问题，简化系统设计，减小安装和维护工作量，提高系统 的性价比，本系统的智能传感器和通信分站之间使用了m b u s 总线通信方式。 2 3 3m - b u s 技术介绍 2 ：j ：1 1m b u s 概述 m - b ij s ，全称为m e t e r - - b u s 。它是一种用丁远程仪表读取数据的欧洲标准，它也可 以用作所有其他类型的耗能测量仪表( 即需耍提供电源的测量仪表) 以及传感器等。这种 总线在能源工业及相关行业得到了广泛的应用。 m - b u s 总线是主从式、串行半双t 的总线系统，采用主叫席答的方式通信，即只有 处于巾心地位的主站发出询问后，从站才能向卡站传输数据。mb u s 总线的主要特点如f ： 两线制总线，不分j 下负极性，施i ：简单； 采用独特的电乎特征传输数字信号，抗t 扰能力强： 总线可以为每一通讯节点提供3 3 v 3 m a 的稳压电源，为仪表提供两种供电方式； 可采用任意总线拓扑结构，系统组网成本低、扩展灵活： 总线采用1 2 4 2 v 电源供电，具有本质安全的防爆特性； 坐至型垫墨兰堡主兰堡堡兰 墨堑璺竺查壅 专门设计的报文格式，满足能耗计量仪表联网和远程读数需要； 通信过程完全由主机控制，任一通信节点故障不影响整个总线： 多个网络节点可共用一条通信信道； 支持h a r t 协议，波特率为9 6 0 0 b p s 时通信距离达1 0 0 0 m ，并可以通过中继器扩 大网络或系统的覆盖范围。 2 3 3 2 f b u s 的通信协议 m b u s 的数据链路层协议是以1 e c 8 7 0 - - 5 协议为基础的( 这个协议是远程通信标准 协议) ，但是没有应用全部的i e c 功能。 m b u s 是异步串行位传输协议，传输同步是通过每个字符的起始位和结束位完成 的。要求每个报文的传输过程中即使是停止位之后都不能有中断。总线上的空闲状态为 m a r k 状态“l ，主机到从机的数据传输，起始标志是0 ，结束标志为“1 ， ，数据 结构：1 个起始位+ 8 个数据位+ 1 个奇偶校验位+ 1 个停止位。数据位按照升序传输， 即数值最小的位( l s b ，重要性最低的位) 先在线路上传输。幽2 4 描述了一个呼叫和 应答字节的传输格式。 v r a l , k v m a f k 1 2 v 幽24 个呼叫和应咎宇竹的传输格式 f i g2 4 ac a l la n dr e s p o n s i o nt r a n s m i s s i o nf o r m a t 2 3 3 3m - b u s 总线通信中的接收、发送机匍 山东车斗技大学硕士学位论文 系统总体方案 m - b u s 足种由丰机控制的分级通信系统，它由主机、从机和两线连接电缆组成。 从机之问不能直接交换信息，j 能通过主机来转发。总线卜传输的数据位定义如f 、： ( 1 ) 主机向从机发送数据 主机向从机发送数据时采用的是改变总线申压而总线电流保持0 i 变的电压调制方 式。m - b u s 定义发送数据“1 ”( m a r k ：杯u 值) 时，对应手, f j l - g k 动输出的总线电i3 6 v ， 发送数据“0 ”( s p a c e ：空值) 时主机驱动输出的总线电压将减小1 2v 降至2 4v 。由 于总线电缆阻抗的原因，从机总线上的实际电压将小于3 6v ，这个值的大小决定于从机 和主机的距离以及线缆的电阻，它可能是2 1 4 2 v 之间的任意值。为使接收和距离无关， 所以从机不能检测绝对电压值来确定数据，而必须采取检测总线电压的变化值，这就要 求从机能具备检测静态时的总线电压值( 1 j m 。r k ) ，并将其存储器起来作为动态参考电平， 然后将总线上电压( u r u s ) 与该值比较，当ij s u m a r k 57 v 时，数据被识别为“1 ”， 当u b u s u m a r k 8 2v 时，数据被u 别为“0 ”，这就是从机接口电路应具有的动态电平 识别的接收逻辑。 f 2 ) 从机向蕾机发送数据 从机向主机发送数据时采用的是总线电流调制，而总线电压保持不变。m b u s 总线 f ? 的每个从机都要有一定的静态电流消耗，即i m a r k _ 5 m a ，当从机向主机发送数据“1 ” 时，对应从机电流是一恒定值i m a r k ，当发送数据“0 ”( s p a c e ) 时，从机控制电流调制器 使电流消耗增d h ( i 1 2 0 ) m a ，此时i s p a c e - - i m a r k + ( 1 l 2 0 ) m a ，主机通过电流检测电路检 测该凋制电流，输出对应的数据“1 ”或0 。 山彖科技丈学硕 + 学位论文 智能传感器 3 智能传感器的设计 3 1 智能传感器的性能设计 随着电子技术、信息处理技术和通信技术的发展，人们对生产自动化和管理自动化 的要求也越来越高。智能传感器分布在井筒中不同深度，主要完成数据的采集和发送。 为f 适应煤矿井下的恶劣环境，智能传感器的外壳应采用防爆设计，坚固耐用，以保证 内部电子设备免受冲击或意外损伤，外部没有可拆卸的零件，以适合煤矿等j 业场合的 需要。为满足现场的工作要求，完成各种特征量的采集，本设计提出如下性能要求： 本质安全性：所有智能传感器都采用本安电源供电。 安装工作简便：安装时需要占用井筒，时1 日j 过长会影响矿井的正常工作，井下接线 全部采用快速放水接头，省去了复杂的接线 作，同时提高了系统可靠性。 低功耗：内部器件应尽量选用低电压、低功耗器件，在采集电路不工作时，采集电 路不上电且使单片机处于市电方式。通信电路采用总线供电方式，智能传感器采用 远程供电，多个传感器共用一个本安电源。 免维护：智能传感器采用拿封闭式封装，防砸、防尘、防水、防腐蚀。通信和供电 电缆使用四芯铠装电缆，有效的提高通信可靠性和防止电缆损坏对系统工作的影响， 内部主要选择高集成度、贴片式器件，整个设备体积小、重量轻。 操作简便、读写速度快：当接到分站发给各传感器命令监测数据时，在不到一秒的 时间内就可将监测到的数据再传回给分站。这样就体现出监测的实时性。 掉电保护：掉电后能有效保护内部存储的数据，防止数据的丢失。 与分站连接方便：采用的m b u s 总线技术和光耦隔离技术，可实现远距离可靠通 信。 2 智能传感器组成及工作原理 井筒内的监测内容包括：罐道压缩量、罐道移动量、井壁变形量、井壁应变量、井 ! 查型丝奎兰堡主兰竺笙苎 蔓鳖堡壁塑 壁内钢筋应变量、含水层水位、渗水压、永久地压、冻结压力等。因此智能传感器包括： 智能位移传感器、智能应变传感器、智能水压传感器、智能水位传感器等。如图3 1 所 小，每种智能传感器部由特定的传感器( 如位移传感器、应变传感器、压力感器、水位 传感器等) 、温度传感器、信号采集电路及m b u s 总线从机接l 电路组成。各类传感器 般都受环境温度影响，为掌握影响程度，进行温度补偿，所有智能传感器都装有温度 传感器。 困困罐母征再 智能传感器采用总线供电方式，安装简便，便于维护。智能传感器与通信分站之间 通过4 芯铠装电缆连接，其中两根作为m b u s 总线的通信线，两根用f 总线供电。通 信分站与其所接的智能传感器构成主从式m b u s 通信系统。每台智能传感器都设置不 同的地址，地址范围l 1 2 7 ，以便通信分站对其进行巡测。 多个智能传感器挂接在一条总线上，其耗电会在电路上引起一定的压降，若耗电过 多，会引起末端供电电压不足，不能正常工作。为此，智能传感器采用分时上电工作方 式，即每一时刻，仅有一台智能传感器处于上电工作状态，而其余智能传感器处于低功 耗的空闲等待状态。通信站通过发送地址唤醒地址丰日符的智能传感器，被访问的智能传 感器进入上电工作状态，完成一次测量，并将测量结果发送给通信分站，然后重新进入 低功耗的空闲等待状态。接下来，通信分站再发送另一地址，选通另一智能传感器，如 此循环以上的工作，完成对所有智能传感器的巡测。 井筒安全监测报警系统中的智能传感器种类较多，下面就以智能应变传感器和智能 位移传感器为例，介绍智能传感器的设计。 u 东科技大学硕士学位论文 智能传感器 3 3 智能应变传感器的设计 单片机是整个智能传感器的核心，它的选择对整个仪器的工作性能的影响至关重要。 首先介绍一下本系统使用的单片机。 3 3 1 单片机p 8 9 l p c 9 3 2 目前，单片机的发展趋于多样化，出现了4 位机、8 位机1 6 位机和3 2 位机等多种 型号，其中8 位的单片机在工业测控领域仍占t 流。为减小仪器的体积和重量，降低功 耗，我们选用了荷兰p h i l i p s 公司开发的种低功耗、低价格、高集成度的8 位微处理器 一一- p 8 9 l p c 9 3 2 。 l p c 9 3 2 具有多种封装形式，与传统的5 1 系列单片机相比，具有多方面的优越性， 本系统中，我们主要利用了l p c 9 3 2 的如下优点： 运行速度快：p 8 9 l p c 9 3 2 采用增强型8 0 c 5 lc p u ，其运行速度是标准8 0 c 5 l 的6 倍， 个机器周期由2 个c p u 时钟周期组成，大多数指令执行时间为1 到2 个机器周期。 低功耗：工作电压低，电压范围为2 4 v 3 6 v 。 支持3 种不同的节电模式：( a ) 空闲模式：空闲模式下片内外围功能继 续工作，允许其在产生中断时激活处理器。任何一个可能的中断或复位 均可结束空闲模式。( b ) 掉电模式：掉电模式将振荡器停振以使功耗最 小。在掉电模式中，内部r c 振荡器被禁止，除非选择r c 振荡器作 为系统时钟并使用r t c 。在这种模式中某些功能继续工作并消耗电流， 这样就增加了掉电时的整体功耗。( c ) 完全掉电模式：和掉电模式的区 别在于：完全掉电模式下掉电检测电路和电压比较器都被关闭以节省功 耗。 晶振可选择低、中或高频，频率范围为2 0 k h z 到1 2 m h z 。根据频率的 选择可以降低功耗，如果运行在8 m h z 或更低的频率时，则可置位 c l k l p 位以降低功耗。此外，单片机内部还集成有c p u 时钟修改寄存 器d i v m ，可以通过设置d i v m 来定义c p u 的工作频率，为不影响单 片机的工作，晶振频率不可选择过低，我们可以选择高的分频系数，来 些查登垫查兰堡! ：兰堡堡墨 塑竖堡壁矍 降低功耗。 地址自动识别：在多机工作方式下，允许u a r t 使用硬件进 丁比较，从串行数掘流 中识别出特定的地址，这样就不必花费大量的软件资源去检查每一个从串1 2 1 输入的 帛行地址。 高集成度：l p c 9 3 2 集成了许多系统级的功能，这样可大大减少兀件的数目、电路 板面积以及系统的成本。l p c 9 3 2 在拥有2 5 6 个字节的r a m 的同时，还有5 1 2 个字 节的片内附加r a m 和5 1 2 个宁节的片内数据【、2 p r o m 它用于保存重要参数，数 据e 2p r o m 受s f r 控制，可字节读、字节写及擦除。l p c 9 3 2 还有拥有8 k b 的f l a s h 程序存储器，它提供电路中的电擦除和编程，f l a s hn l 以字，为单位读取或写入。芯 片擦除功能可实现整个程序存储器的擦除，扇区和页擦除功能呵擦除任意的f l a s h 扇区( 1 k b ) 或页( 6 4 字节) 。 i o 门使用方式灵活：除了3 个口以外，l p c 9 3 2 其他所有的i o 口均可由软件配置 成4 种输出类型之，4 种输出类型分别为：准双向口( 标准8 0 5 i 输出模式) 、推挽、 川：漏输出或仅为输入( 高阻) 。每个口配置2 个控制寄存器控制每个管脚的输出类 型。p 1 5 ( r s d 只能作为输入【_ 】，p 12 ( s c i ，厂r 0 ) 和p 13 ( s d a i n t 0 ) 只能配置为输入n 或j 1 ：漏口。 l p c 9 3 2 单片机和其开发应用系统和5 1 系列单片机开发系统完全兼容。它具有语言简 单、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、便于结构优化设讨、使用方便等诸多的 优点。充分利用l p c 9 3 2 的片内资源，即可在很少外围电路的情况卜构成功能完善的系统， 特别适合小型、低成本、低功耗仪器的使用。 33 2 应变传感器 3 2 2 】应变传感器的选择 局部应变的测量一般采用应变计。已有的应变计种类有：电阻应变式、差动电阻式、 滑动电阻式、振弦式等，其中前三种电阻式应变计是利用电阻应变片将应变转换为电阻 变化，再嗣相应的测量电路( 如电桥) 将电阻转换成电压输出的传感器，缺点就是灵敏度 较低，且输出模拟信号，还要经过复杂的a d 转换电路1 能完成数据采集。振弦式应变 输出频率信号，具有稳定性良好、防水要求低、抗干扰能力强、采集数据方便和测试 量为应变累计值等优点，尤其适合恶劣环境下的长期监测。 ! ! 至型垫查兰丝兰堂垡丝壅 塑壁堡壁竖 3 2 2 1 应变传感器的工作原理 振弦式应变计是利用弦振频率与弦的拉力的变化关系来测量应变计所在点的应变， 原理见图3 2 ，应变计在制作出厂后，其钢弦具有一定的初始拉力f 。，因而具有仞始频 率而，当应变计被埋入混凝土中后，应变筒随混凝t 变形而变形，筒中弦的托力随变形 而变化，利用弦的拉力变化可以测出应变简的应变大小。现假定应变计两端承受压力， 则弦的张力减少，此时弦的自振频率也减少，设弦的张力为f ，自振频率为f ，张力与频 率关系可用式( 1 ) 表示，式中，k 与弦的长度、学位跃质量有关。 应蹙 “补艰 f ：k f 2 图3 2 振弦式应变计 f i g3 2c h o r d a ls t r i n gg a u g e c a ( - 蟓弭 很显然，有 af = f - - f o = k ( t a f 0 2 ) ( 2 ) 应变计的应变筒与其中钢弦变形协调，应变增( 减) 量相同，设应变筒的应变增量为 c h ，弦的应变增量为eg ，则有 en eg 2 百a f ( 3 ) 式中，e a 为钢弦的轴向刚度故 h = 百k ( f 2 7 - f 0 2 ) 2 k b ( f 2 一f 0 2 ) ( 4 ) 在应变计出厂前，通过压力机标定，给出频率一应变数据点。在计算读数应变莳， 常常将数据点按式( 4 ) 拟合成eh 一产直线表达式，进而求得各读数频率下的应变值ch 。 由于温度的变化会对传感器产生影响，因此，厂家在应变计内部都封装有半导体温 度传感器。在每一次应v , 变量自q 坝0 量p 者5 要i 贝1 4 量温度，从而获得温度改正值，并可获得由 山东科投人学硕士学位论文 塑壁堡壁堡 由于仪器温度影响而修正的混凝土总应变可由下面的 于温度波动引起的应变影响数值。 公式( 5 ) 计算出： 8h = ( 8h i 一h 0 ) 十【( t i t o ) c f 】( 5 ) c ( 5 ) 中，eh 0 为初始数值，eh l 为当莳数值，t o 为初始温度，丁l 为当前温度， c f 为温度系数。 本系统中，我们选择美国基康仪器公司的v c e 4 2 0 0 型振弦式混凝十应变计。仪器 的频率激振和读数通过位于靠近钢弦的电磁线圈完成。为保证应变计的测量效果，预先 将应变计浇注到混凝土预制块中，再将预制块浇注到混凝土结构中，或灌注到混凝上测 孔中。 3 3 3 智能应变传感器的采集电路的设计 振弦式混凝士应变计的工作原理是：用一个频率变化、强度足够的脉冲信号激励