（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的煤矿井下变电站实时监控系统.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o a lm j m cm o i l i t o r ! i n gs y s t 锄i sc l l 眦m l yu s e di nt l l cl i e l do fm i c r o p i o c 略s 叫 p 洄：i i 卸dm 锄a g e m 蛐to f 蛐r f a c cs u b s t a t i o n t h ca r e a 辄b s t a t i o nu n d c f g u n di s t h ek c yp o i n ti nc o a lm i n c ，w l l i c he f f e c tl h cp d d u c l i 柚ds a f b t yd i - c c i l y 舢t h o u g hi t i sd 确c u l tt ou 卸t o m a t j 伽m 伽j t o n n gs y s t 啪i n 鲫b s t a t i 彻su n d e r g 形u n d ，w cn d t h i su r g c n t l y 1 n h cm i - t i m 飘慨协t i m 砌t o rs 蜘e m ，w h i c hi sb 黜do nc a n b u s ， p m v i d c sm 孤yf i l n c t i o n s ，i n d u d i n g ：d a t aa c q u i s i t i o n ，c r r o rm o i i i t m ；d a t ad i s p l a y ，d a l a 伽t p u t ，v o i c cw 蛐i n 舀e t c t h ee 鹊丑ya c h i c w 砸s y s t c mt 瑚s p l 强血i ga n de x p 姐s i o na 坼 t h cs i 印i 矗c 柚ta d 咖g co f 嘶ss y s t e m u n d e rt h c 咖d yo ft h cs u b s t a t i d a t a 鲫p c r 、，i s i 彻a th o m c 卸da b f o a d ，锄 a d v 卸dm u h i - 如n c t i a ls o 叫r i t ym o n i t o r i n gs y 醴c mf o r 鲫b s 协t i i s 如c i o p e 吐 w h i c ht a k 髓a d v 柚t a g c0 ft h ct c c h i i o l o g yp r o 班鼯j nt h ef i c l d ss u c h 鸹e l c c t 啪i c m p u t c r s e i i s o r 卸dc o n 昀l i i n 舀1 1 i cs y s t 锄to i l i yh 鸽t h eg c n e m lf i i n c t i 伽ss u c h 嬲 d e t 。c t i n 岛a l a m i n ga n ds o 册，b u ta l d i s p l a y sp a 姗c t e 鸺，w 阱k i n gc o n d i t i 佣s ，a n dt h c c o n t r o l l i n gf i i n c t i s t 0p e r f 融t h ef l i n d i 彻o ft h es y s i 锄，i m p r o v et h ca d v 卸o 略，卸dg u a m n t e et h c l i a b i l i t y ，c a nb u si sa d 叩t e d ，w h i c hm a k e si tp o 鼯i b l ef o ru r st oa d du n i t s ( c a n m 蛐i t o r i n gm o d u l e ) d ”锄i c a l i yt om e e td i 虢r c n ln e c d s ，w i t h o u t t h el e a s tc h a n g o f t h cs y s 蛔sh a f d w a r c t h c 霉锄i 刚n gs y s t c mi sm a d cn po fs c v 啪lf 两lp f o c c s s o 硌 柚do n ed a t as t a t i o n t h ef 如n p i o c c s s o ri st os 棚p l es i 印a l so fe i e d r i c a ld e v i 淄 帅u g h r s 4 8 5 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在两年的学习和生活中，还得到了硕士研究生尹翠然、张琦、朱熙和才永胜 等同学的大力帮助，在此对他们致以诚挚的谢意! 本文的顺利完成是与师长、朋 友和同学们的鼎立帮助分不开的，对此我将牢记终生。 我愿以此论文报答和宽慰我的父母和亲人，我深深地感谢他们为我成长做出 的一切。 最后，衷心感谢在百忙之中评阅本论文的各位老师。 u 引言 1引言 1 1课题研究的目的和意义 我国是一个煤炭生产大国，在未来相当长的时期内，以煤为主的能源供应格 局不会改变，煤炭生产依然为我国国民经济重要支柱产业。据统计，我国现有煤 矿2 1 0 多个，其中高瓦斯矿井有1 0 0 0 0 多个，全国县级以上有色金属国有矿山 9 0 0 多座，冶金行业的金属矿井也有5 0 0 多个。井工开采矿井，特别是高瓦斯矿井， 都存在瓦斯问题，并下低压漏电保护系统不健全而容易产生电火花，甚至引起瓦 斯爆炸事故，一直是影响其安全生产的主要问题之一。 我国煤矿的瓦斯灾害极其严重，占到煤矿事故的7 0 一，近年来重大瓦 斯事故尤为突出。发生瓦斯事故的诱因中，难以预测的井下供电系统事故是导致 瓦斯灾害发生的重要因素。为加快解决防止和杜绝煤矿重大瓦斯灾害事故的重大 技术问题，国家发展改革委结合煤矿瓦斯治理工程，组织实施了煤矿电网重大灾 害的监控预警技术开发重大产业技术开发项目。 井下区域变电站是井下各分采场的枢纽，直接影响矿井的生产与安全。目静 变电站内设备巡视和操作全部靠人工操作，地面调度人员对变电站的运行信息完 全依靠值班员电话传递，不能直观、快速地了解、控制变电站的运行状况，尤其 是出现掉电事故时就更为明显。 为加强对区域变电站的管理，保证变电站安全、可靠供电，必须建立一套井 下变电站实时监控系统，从而实现由地面对井下变电站的运行情况进行监控，对 各开关设备的运行实现遥测、遥控、遥信、遥调。电力生产、传输和分配是当今 最复杂的技术过程之一。而借助以计算机为基础来完成上述技术过程的d c s 系统， 在我国大部分地区已经取得了许多成就，但也存在不足之处：酋先是d c s 软硬件 仍然依靠进口：其次是电力系统自动化缺乏整体性。在我国的电站中有用于单元 机组控制和监视的d c s ，有遥测、遥控的s c a d a ，电量计费系统、各辅助车日j 的 p l c 和微机监控系统，以及电厂信息管理系统( m i s ) 等，这些系统分别采购，功能 重复、接口复杂，造成了一些不必要的浪费。利用现代先进的计算机软、硬件技 术，通讯技术，网络技术进行全面的综合考虑，统筹安排，设计和实现变电站上 述的各部分功能，做到资源共享，减少冗余，节省投资，提高可靠性，提高运行 水平减轻运行人员的劳动强度，这就是变电站综合自动化系统的实现目标。文 献指出，今后在电站自动化建设上，应充分考虑管理信息系统的要求，将各个分 立系统有机地融为一体i 。由此可见，对“基于c a n 总线的煤矿井下变电站实时 北京交通大学硕士学位论文 监控系统”的研究是十分必要的。 1 2煤矿井下变电站监控系统的发展现状与发展趋势 1 2 1 煤矿井下变电站监控系统的发展历史与现状 对煤矿井下变电站的监控是指变电站的运行状态( 包括必需的各种量值、潮流 方向、开关电器的位置、变压器调压分接头位置、补偿电容器投切组数等) 经本站 的微机远动装鼍l u u 处理后，再经远动通道转送至上一级电业主管部门的计算机 系统，并在监视器c r t 和系统模拟屏上显示出来，亦可打印制表，供调度值班人 员随时监视查询，然后作出相应的处理。 在电力调度综合自动化系统中，可由计算机直接进行计算判断，并自动处理。 反之，调度人员可通过远动监控系统对无人值班变电站内的可控设备进行遥控操 作，在电力调度综合自动化系统中，则可由计算机直接发出控制指令。 早在四、五十年代，无人值班己经在我国一些大城市实行，例如上海、北京、 天津等城市，只是对一些不重要的3 5 k v 变电站，实行无人值班。平时把变电站 的门锁起来，一旦出现故障，保护跳闸停电，则用户会用电话或其它方式要求供 电局去检修，饮复供电。这种无人值班变电站的、二次设备与有人值班变电站 完全一样，没有任何信息送往调度室。其一、二次设备的运行工况如何，只能由 检修人员到现场后，才能知道。这类无人值班变电站只适合重要性不高的变屯站。 到了6 0 年代，由于远动技术的发展，在变电站开始应用遥测，遥信技术，从 而进入了远方监视的无人值班阶段。这时，在调度中心，调度人员可以了解到下 面无人值班站的运行工况，比起没有四遥功能的无人值班变电站来说，已前进了 一大步。但是，这个阶段的遥测、遥信功能还是很有限的，例如遥信只传送事故 总信号和一些开关位置信号。值班员通过事故总信号知道变电站发生故障，可及 早派人到变电站或线路寻找故障进行检修，这对及早恢复供电无疑是很有好处的。 但是，如果要对丌关进行操作，还必须到现场才行。 舳年代中后期以后，随着微处理器和通讯技术的发展，计算机控制技术己渗 透到各工业领域，并且以其独特的优势占据着工业控制领域的主导地位。例如， 以单片机、可编程逻辑控制器作为中央控制单元，配合必要的外围信号检测与处 理电路，可完成矿井低压电网的两级选择性漏电、对称短路、不对称短路、断相、 过载和过欠电压等保护功能，而且动作指标完全符合设计要求。可见，由于微机 控制技术的引入，它使矿井电网综合保护技术产生了质的飞跃，为矿井综合保护 2 引言 的进一步发展奠定了坚实的基础。本世纪二三十年代，采煤技术发达的英国、德 国、前苏联等国家先后开展了矿井电气安全的研究工作。八十多年来，这个领域 的研究不断取得进步，隔爆型、本质安全型电气设备在煤矿井下逐步得到了广泛 的应用。 近年来，英国、德国等西方主要产煤国在矿井方面均采用微型计算机控制方 式，因此它使继电保护具有功能多、智能化的优点。例如，英国华莱公司的双速 开关保护系统，实现了微机保护，保护系统采用模块插件式结构，由输入板、主 控板、输出板、显示板和电源板组成，能同时实现多种保护功能。此外，保护继 电器，不仅具有完善的保护功能，而且具有良好的人机界面。既能用于地面的供 电系统，又能运用于矿井供电系统1 4 】，是新型智能化保护设备的典型代表。 煤矿井下变电站实时监控系统就是采集煤矿井下供电系统中的模拟量、数字 量、以及一些非电量信号，经过数据处理及相应功能的重新组合，按照规定的程 序和要求，对变电站实现综合性的监视和调节。本科题所研究的“基于c a n 总线 的煤矿井下变电站实时监控系统”，造价低，不仅适用于新建采区井下变电站， 而且也适用于对原有井下交电站的自动化改造。 1 2 2 煤矿井下变电站监控系统的发展趋势 随着继电保护技术的不断发展和对安全运行要求的逐步提高，常规的继电保 护和故障诊断技术不能完全适应复杂变化的电网运行工况，于是研究人员提出了 自适应继电保护和自动故障诊断的人工智能技术。为供电系统综合保护的研究， 尤其是智能电器的进一步发展，提供了基本条件。 人工智能是2 0 世纪中期产生的并j 下在迅速发展的新兴边缘学科，它是探索和 模拟人类智能和思维过程的规律，并进而设计出类似人的某些智能化的学科。或 者说人工智能是研究如何用人工的方法和技术，即采用各种自动机器或智能机器 模拟、延伸和扩展人的智能，使其具有自适应和自诊断能力。有关专家预测人工 智能( a n i f i c j a li n t e l l i g c n c e ) 将成为2 1 世纪新型电器研究的主要发展方向。 1 3煤矿井下变电站存在的问题 煤矿井下采区变电站的服务对象为采煤、掘进、运输、排水等重要环节，供 电负荷种类繁多，区域分布广1 5 1 。负荷工作场所地质条件复杂，而且存在着瓦斯、 煤尘、水等有害介质，事故发生率高，故障排查、停送电周期长，影响了采区的 北京交遁大学硕士学侥论文 安全生产。供电部门每天用于值班和线路维护的工作人员较多，降低了劳动生产 率。一般来说，传统的井下采区变电站存在着如下缺点： ( 1 ) 安全性、可靠性不能满足要求。传统的井下采区变电站大多数采用常规的 设备，尤其是二次设备中的继电保护和自动装置、远动装置等采用电磁型或晶体 管式，结构复杂，可靠性不高，本身又没有故障自诊断的能力。 ( 2 ) 不适应煤矿电力系统快速计算和实时控制的要求。传统的井下变电站不能 满足向调度中心及时提供运行参数的要求，一次系统的运行工况。由于功能不全， 一些遥测、遥信无法实时送到调度中心，而且参数采集不齐，不准确，井下变电 站本身又缺乏自动控制和遥控手段，因此无法进行实时控制，不利于煤矿电力系 统的安全稳定运行。 ( 3 ) 工作量大，设备可靠性差，不利于提高运行管理水平和自动化水平。常规 的保护装置和自动装置易受工作环境温度影响，其整定值必须定期停电校验，工 作量大，也无法实现远方修改保护或自动装置的定值。 由于传统的采区变电站存在以上一些问题，无法满足煤矿电力系统安全、稳 定和经济，优化运行的要求。解决这些问题的出路是在井下采区变电站采用先进 技术装备。对于老式的井下采区变电站，逐步进行改造，实现无人值班。 1 4煤矿井下变电站实时监控的优越性 煤矿井下采区变电站实现实时监控的优越性主要表现在以下几方面： ( 1 ) 提高井下采区变电站的安全、可靠运行水平。采区变电站实时监控系统中 的各个子系统，绝大多数是由微机组成的，它们多数具有故障诊断功能。除了微 机保护能迅速发现被保护对象的故障并切除故障外，有的自动装置兼有监视其控 制对象工作是否难常的功能，发现其工作不乖常可及时发出告警信息。这使得采 用实时监控系统的变电站一、二次设备的可靠性大大提高。 ( 2 ) 提高煤矿井下电力系统的管理水平。采区变电站施行实时监控后，监视、 测量、记录等工作都由计算机自动进行，既提高了测量的精度，又避免了人为的 主观干预，运行人员只要通过观看屏幕，对采区变电站主要设备和各输、配电线 路的运行工况和运行参数便一目了然。本实时监控系统具有与上级数据中心站通 信的功能，可将检测到的数据及时送往数据中心，使管理员能及时掌握采区变电 站的运行情况，也能对它进行必要的调节与控制，且各种操作都有事件顺序记录 可供查阅，大大提高了运行管理水平。 ( 3 ) 减少维护工作量，减少值班人员，实现减人增效。由于监控系统中，系统 内部有故障时能自检出故障部位，缩短了检修时间。又可在线读出检查，可节约 4 引言 定期核对定值的时间。而且，智能测控单元、智能通信接口和数据中心站三级网 络整定保护定值，使定值修改灵活方便，且能实现遥测、遥信、遥控。 5 北京交通人学硕士学位论文 2 煤矿井下变电站实时监控系统概述 2 1煤矿井下变电站实时监控系统的组成 基于c a n 总线的煤矿井下变电站实时监控系统主要由以下三部分组成如图2 1 所示： 圈2 1 实时监控系统示意幽 f i g2 ，1b l o c kd i 4 鲫mo f r e a i “mm n i 【o t 吣s y s t e m ( 1 ) 数据中心站。数据中心站的任务是对整个井下采区变电站的信息进行存储 和处理，并通过友好的人机界面实现所有采区变电站的监控及管理。监控主机与 智能通信接口之间采用高可靠性的c a n 现场总线通信方式。该方案利用计算机监 测和自动控制技术开发出一套适用于煤矿井下采区变电站高、低压配电设备的实 时监控系统，实现井下采区变电站的保护、测控一体化，实现并下采区变电站的 无人值守，避免人在现场的操作参与对于提高井下供电系统的可靠性和运行经 济指标，促进采区供电系统的管理现代化，有着重要的意义。 ( 2 ) 井下监控智能通信接口( 又称前置机) 。智能通信接口通过网络信息通道收 集各智能测控单元的上传信息，并下达控制、调整命令。它负责把所有与它相连 的智能测控单元的工作状态传到数据中心站。同时，它又和其他静骨机通信，并 且能实现液晶显示和键盘整定保护定值的功能。井下监控智能接口放置于井下变 电站内。智能通信接口装置与智能测控单元之间采用r s - 4 8 5 的通信方式。 ( 3 ) 面向现场设备的测控、保护“一体化”智能装置( 又称智能测控单元) 。该 装置采用统一模块，放置于高、低压开关防爆腔内。形成就地微机保护和s c a d a ( 数 据采集和监控1 为一体的智能测控单元。 6 煤矿井下变电站实时监控系统概述 2 2 系统的设计思路 本课题主要针对煤矿井下变电站的综合自动化，避免煤矿电力事故，经济生 产，设计了对井下变电站的实时监控系统。对井下变电站的各电力设备的监测和 管理规范化，在变电站运行过程中出现异常，可以尽快找到事故原因，保证煤矿 设备维修及时，使经济损失降到最低。本系统利用计算机技术、网络技术、分布 式智能控制等先进手段，实现对井下变电站的监控。 井下所有智能测控单元，如：馈线路保护测控装置、线路保护测控装置、电 容器保护测控装置、各自投保护测控装置等，采集到现场设备和电力运行参数， 将该信息通过r s 4 8 5 发送到前端各智能通信接口模块。各智能通信接口模块之间 可以通信，也可以通过l c d 、键盘实时显示数据和就地控制分合闸操作，同时通 过c a n 总线发送数据到数据中心站，数据中心站的服务器负责将井下前置机传输 的数据信息进行处理，并自动对数据库中的数据信息进行更新存储。监控计算机 上安装有井下变电站监控系统v 1 o 软件，通过访问服务器的数据库，在用户晃面 上实时显示井下变电站的运行信息。另外，监控计算机连接有音响、打印设备， 可以更好地为煤矿生产管理服务。 圈2 2 整个系统的网络结构 f i g2 2s y s t c m 鹏t o r ks t n | c t u j e 整个系统的网络结构如图2 2 所示： ( 1 ) 从建网角度看，它是一个有一定规模的网络系统。矿井里所有的监控设备 以及与其相连的外部设备都可以通过数据总线最终接到地面数据中心站，数据中 7 北京交通大学硕士学位论文 心站再和各客户端电脑连接起来，形成局域网，充分实现整个系统的实时数据采 集、处理和存储功能。 ( 2 ) 从信息处理角度看，它是一个完整的井下变电站监控系统。虽然并下各智 能测控单元分散在井下变电站的不同位置，但是通过前置机及数据中心站，可以 查询每一个设备的信息和具体的电力参数信息。 ( 3 ) 从煤矿生产管理角度看，它是一个为煤矿安全生产的网络系统。通过网络 数据的传输，可以快速、准确查看井下变电站的工作状态，对各设备开关进行远 动或就地控制，降低了工作人员的劳动强度。 ( 4 ) 从系统的安全角度看，它是一个具有多级安全性的矿用安全监控系统，不 同权限的用户被授予不同的访问权限，同时不同的数据库用户有不同的操作权限。 2 3系统的主要技术指标 监控系统采用总线形网络结构、双绞线基带传输、多主工作方式； 中心站主机可接2 台，一台用于监测、监控工作，另一台作为备用； 具有实时故障报警功能，故障上传时问小于1 s ； 最大通讯距离；不小于2 呦l ； 最大通讯配电容量：1 2 7 台； 通讯速率：5 k b p s ： 误码率：不大于1 0 一。 2 4 系统的主要功能 根据项目的需要和井下的工作环境，该系统具有如下功能： ( 1 ) 实时数掘采集 遥信( 采集并向远方发送状念量，其中包括断路器位置、刀闸位置、变压器分 接头位置、各种事故及报警信号) ；遥测( 采集并向远方发送数字量、模拟量，即井 下变电站电气设备运行的各种实时数据，如线路电压，线路电流、变压器温度， 功率、频率等) ；遥控( 接收并执行远方控制命令) 。 犯) 越线告警 包括电压越线告警、电流越线告警、漏电监测报警、断路器跳闸报警、温度 报警等。 8 ) ) ) ) ) ) ) n ，q o 心 6 佰 煤矿井下变电站实时监控系统概述 ( 3 ) 事件顺序记录 以事件发生的时间顺序进行排列。 ( 4 ) 数据处理和存储 设置实时数据库及历史数据库管理系统，用于对在线运行数据及历史数据的 管理。数据库提供大量的在线监视、数据库管理、统计、维护等工具。数据输入 和修改采用在线方式无需任何软件知识。数据库结构包括当前数据，用作报表及 趋势的历史数据，以及系统运行参数。 ( 5 ) 管理功能 能够进行负荷统计、事故统计、设备管理、保护管理及保护投入率统计、设 备检修统计。 ( 6 ) 报表功能 能够根据实际需要，组织报表格式、报表数量及打印时间。可随时打印也可 设置打印时间、打印频率和到时日j 自动打印。 ( 7 ) 系统安全 操作人员权限管理，操作人员操作记录，系统自检。 2 5课题研究的内容和主要工作 本课题立足于现场总线与单片机控制系统，运用先进的单片机芯片及外围扩 展设备，设计了具有良好性能的集成电路，使最终研制的产品做到精度离、操作 方便、功能齐全、移植性好等特点，达到同类产品的国内先进水平。 本课题的基本目标是结合国内外井下变电站的现状和发展趋势【6 j ，考察国内用 户的实际需求和现状，根据国内现有变电站实时监控技术的特点探索了具有投资 少、可靠性高，操作方便( 根据用户要求来选择) 等优点的煤矿井下变电站实时监控 系统。 c a n 总线是当今比较流行的现场总线，单片机具有集成度高、稳定性好、可 靠性高、抗干扰能力强、控制灵活、易于丌发的优点，是实现煤矿井下变电站实 时监控化的理想核心部件。 事实证明，本课题经过市场调查、方案设计、研究歼发、调试，取得了较好 的阶段性的研究效果，达到了预期的目的。 根据系统要实现的功能，课题的研究内容如下c 1 智能通信接口的软硬件设计 系统要将采集的数据汇总进行处理首先必须进行可靠的数据传输。本系统 采用c a n 总线作为数据的通信网络。需要对c a n 总线的协议标准、兼容的硬件、 9 j b 京交通大学硕士学位论文 软件处理作进一步详细的研究。 2 与上位机通讯的研究 本系统存储了大量的数据，为了更加直观地对数掘进行分析、处理。系统可 以与上位机进行通讯，将这些以时间顺序存储起来的数据导入到计算机中，这样 有利于数据的长期保存和处理。采用c a n 总线通信网络将数据传入上位机，做数 据管理和分析。 3 数据存储的实现 本系统要完成变电站运行记录功能，因此，对采集的众多数据量的存储也是 本系统的核心之一，以便电气设备的科学管理和事故的调查。 4 上位机人机交换界面的设计 本系统要求能够实时显示井下变电站运行过程中众多参量的变化，如线路电 压、电流、变压器温度、功率、频率变化等以及对各种开关量的监控。 井卜变电站实时监控系统通讯网络结构 3 井下变电站实时监控系统通讯网络结构 前面一章讨论了井下变电站实时监控系统的总体设计。在实际应用中，为了 方便集中调度管理，还要实现远动功能，最终实现监控系统的遥测、遥调、遥控 和遥信功能。 众所周知，井下变电站实时监控系统的关键在于大量的现场采集信息和数据 快速、准确、实时上传到监控中心，并且能将监控中心下达的控制命令准确无误 地发送到控制单元，及时采取措施避免事故发生，这就需要有可靠的通信保障。 随着现场总线技术在电力系统自动化中的广泛应用，有效地解决了井下变电站实 对监控系统中的通信问题。 3 1r s 4 8 5 通讯及协议 在煤矿井下变电站实时监控系统中， 方式，以实现其对现场电气设备的遥测、 智能测控单元与前琶机采用主从式工作 遥调、遥控、遥信等功能。因此，可靠 地实现智能测控单元与前置机的通信己成为微机系统得以应用的一个非常重要的 条件。本节讨论如何实现它们之日j 的串行通信。 1 r s - 4 8 5 总线标准 目静，微机系统中的柘准串行通信接口有r s - 2 3 2 和r s - 4 8 5 。表3 1 给出两种通 信接口的硬件标准和电气性能。 表3 1r s - 2 3 2 与r s - 4 8 5 的硬件标准及电气性能 t a b l e3 1h a f d w a 怫s i a n d a r da n de l e c t r i c a lp e r f b 咖a 懈o fr s 2 3 2a n dr s 4 8 5 l 类型 传愉方式最多驱功j 接受器数篮最人传输速率最远传输速率 ir s 一2 3 21 r r 撕传输l2 0 k b i t s1 5 m ir s 一4 8 5 差分1 7 衡传输 3 2 q 6 0 如i t s1 2 0 0 “ r s ，2 3 2 的特点是成本低、通信协议简单、容易实现川。但r s 2 3 2 同时也存在两 大缺点：一是r s 2 3 2 仅用于计算机与被测对象之间点对点的连接与通信；二是 r s 2 3 2 采用以地作为基准的非平衡式三线传输信号，抗干扰能力差。而r s 一4 8 5 以 差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，拥有比r s 2 3 2 更大的传 输距离和更高的传输速率；同时，r s - 4 8 5 总线驱动能力强，最多可同时接挂3 2 个 总线收发器组成网络，并可以加r s 4 8 5 中继器进行扩展。 2 r s 一4 8 5 通讯协议 r s 4 8 5 总线对通讯协议没有特别的规定，需要在设计中自行编写。具体通讯 协议如下嘲t l l 北京交通大学硕士学位论文 1 ) 数据帧格式：1 位起始位，8 位数据位，l 位停止位，无奇偶校验。 2 ) 波特率：9 6 0 0 比特秒。 3 1 下位机地址：每个下位机有自己的地址，取值范围为m 2 5 5 。 钔字符发送顺序：从低位到高位。 5 1 命令对象码：根据指令类型设定相应的命令对象码。 回校验码：采取1 6 位的c r c 校验方法。 在通讯过程中采用应答方式进行差错控制，只有在前一轮服务结束之后，才 能开始新一轮的服务；当主站需要子站向其提供数据时则发请求帧；当子站正确 接收到主站传送的报文时，向主站发送一个确认帧；若予站由于过载等原因不能 接收主站报文时，子站则应传送忙帧。同样，当主站正确接收到子站传送回来的 报文时，向子站发送一个确认帧。 3 2 c a n 总线通讯 目前国内出现的煤矿并下变电站监控系统主要采用一主多从式串行通信，为 了方便系统功能的扩展、满足应用环境的需要以及对通信速度要求的提高，传统 的一主多从式的串行通信将不能满足这些要求。c a n 总线通信弥补了这些不足， 其可以通过多主通信，实现设备之间的互联。 控制器局域网。气n ( c o n t r o l l e r e an e t 、 r o r k ，简称c a n ) 是德国b c h 公司于 1 9 8 3 年为汽车应用而开发的一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信协 议，属于现场总线的范畴。c a n 属于总线式串行通信网络，c a n 总线的数据通讯 局有突出的可靠性、实时性和灵活性。它有以下几个方面的特点i9 】： ( 1 ) 多主工作方式。c a n 总线网络上任意节点，任意时刻均可向总线上其它节 点发送信息，而不分主次，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。 ( 2 ) 良好的传输防错能力。o 蝌采用短帧结构，数据最多8 个字节，数据传输 时间短，受干扰几率低，且每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施。 ( 3 ) 良好的实时性及通信距离。c a n 网络采用非破坏性总线仲裁技术，当多个 节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点主动退出发送，而优先级高的节 点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突时i 日j 。 ( 4 ) o n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s ) ，通信速率最高可达 l m b p s 距离( 4 0 m 以下) 。 ( 5 ) c a n 节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个，报文标识符可达 2 0 3 2 种，而扩展标准的报文几乎不受限制。 ( 6 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它结 井下变电站实时监控系统通讯网络结构 点的操作不受影响。 c a n 总线与其他几种总线比较而言，是最容易实现、价格最为低廉的一种， 但其性能并不比其他现场总线差。这也是目前c a n 总线在众多领域被广泛采用的 原因。 1 ，c a n 2 0 简介 c a n 2 0 规范分为c a n 2 o a 与c a n 2 o b 【埘。c a n 2 o a 支持标准的1 1 位标识符； c a n 2 0 b 同时支持标准的1 1 位标识符和扩展的2 9 位标识符。c a n 2 0 规范的目的是 为了在任何两个基于o n - b u s 的仪器之间建立兼容性；规范定义了传输层，并定义 了c a n 协议在周围各层当中所发挥的作用。c a n 2 0 规范涉及兼容性的不同方面， 比如电气特性和数据转换的解释。为了达到设计透明度以及实现柔韧性，c a n 被 细分为以下不同的层次：o 小对象层，c a n 传输层，c a n 物理层。 传输层的作用主要是传送规则，也就是控制域的结构、执行仲裁、错误检测、 出错标定、故障界定。总线上何时开始发送新报文及何时开始接收报文均在传输 层罩确定。位定时的一些普通功能也可以看作是传输层的一部分。理所当然，传 输层的修改是受到限制的。 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传 输。当然，同网络内，物理层对所有的节点必须是相同的。尽管如此在选择物 理层方面还是很自由的。 c a n 2 0 规范没有规定媒体的连接单元及其驻留媒体，也没有规定应用层。因 此，用户可以直接建立基于a 蛾2 o 规范的数据通信：不过，这种数据通信的传输 内容一般不能灵活修改，适合于固定通讯方式。 2 c a n 2 0 规范 ( 1 ) 报文传输 在c a n 规范中存在两种帧格式，具有1 1 位标志符的标准帧和具有2 9 位标志符 的扩展帧。报文传送中出4 个不同的帧类型表示和控制：数掘帧、远程帧、出错帧 和超载帧。 数掘帧由帧起始、仲裁域、控制域、数掘域、校验域、应答域和帧结尾组成， 如图3 1 主要功能是把数据由发送器携带至接收器。其标准帧如图3 1 所示。 圈3 1 数据帧结构 f i g3 1d a l a 蠡a m es l 瑚c t l l 犯 帧起始为一个“显性”位，数据域的长度可以是0 。仲裁域如图3 2 所示，用识 别符解决2 个或2 个以上的单元同时开始发送时产生的冲突，仲裁期问，每个发送 器都对发送位的电平与被监测的总线电平进行比较，相同则继续发送。r t r 位必 北京交通人学顼士学位论文 须是“显性”电平“0 ”。控制域如图3 3 ，包括6 位，标准格式数据长度代码，i d e 位和保留位t o 。扩展格式里包括数据长度代码和2 个保留位：r l 和f o ，发送时应为显 性，接收可以认为是显性和隐性的组合。校验域( c r c ) 如图3 4 ，包括c r c 序列 和c r c 界定符。应答域如图3 5 为两位，包括应答间隙( a c ks i _ d 和应答界定符 ( a c kd e u m 眦r ) 。 k 一苎苎苎二一山兰燮l k 一 竺! 五珥坚l 竺 图3 2 数据帧标准格式中的仲裁域结构 f i 9 3 2 a l b i 仃a i 融ds 咖c l u 托o f s a n d a r d f 0 咖td a t a 丘撇 图3 3 控制域结构 弼9 3 3 c o n t 嘲矗c j ds 灯l l 咖 远程帧( c r c 界定符、应答域和帧结尾) 和数据帧格式相似，区别在于没有 了数据域，而且其r t r 位必须是“隐性”电平“l ”。远程帧通过总线单元发送， 用束请求发送具有相同标志符的数据帧。 图3 4c r c 域 f i 9 3 4 c r c f i c l d 应答时琢 定符 图3 5 麻答域 f i 9 3 5 a c k 删d 错误帧包括错误标志和错误界定符，错误标志有2 种形式：主动的错误标志佑 个连续的“显性”位) 和被动的错误标志( 6 个连续的“隐性”位，除非被其它节点 的“显性”位重写) ；错误界定符包括8 个“隐性”位。过载帧包括过载标志和过载 界定符。过载标志由6 个“显性”位构成，过载界定符包括8 个“隐性”位。 ( 2 )报文滤波 报文滤波取决于整个标志符。允许在报文滤波中将任何识别符设置为“不考 井下变电站实时监控系统通讯网络结构 虑”的可选屏蔽寄存器，可以选择多组的识别符，使之被影射到隶属的接收缓冲 器罩。 ( 3 ) 报文校验 对于发送器，若直到帧的末尾均没有错误，则此报文对于发送器有效。若报 文破损，则报文会根据优先权自动重发，为了能够和其它报文竞争总线，重新传 输在总线空闲时启动 对于接收器，若直到最后l 位( 除了帧末尾位) 均没有错误，则报文对于接收器 有效。 3 3 煤矿井下变电站采用a 气n 总线的优点 传统的主从式矿用监控系统设计采用r s 4 8 5 或其它串行通信方式，其网络结 构的主要缺点是： ( 1 ) 系统中分站与主站之问采用主从式结构，这样在网络结构上只能有一个主 站，其余均为从站( 分站) 。其潜在的危险为；由于个网上只能有一个主节点， 无法构成多主结构或冗余结构的系统，一旦节点出现故障，整个系统处于完全瘫 痪状态，因而对主节点( 监测主机) 的可靠性要求很高。 ( 2 ) 数据通信方式为命令响应型。监控系统网络上任一次数据传输都是由监控 主机发出命令丌始的，从节点接到命令后以相应的方式传给主节点，这使得网络 上的数据传输率大大降低，且使得监控主机非常繁忙，它不但要完成接收来自各 分站的采集信号，而且要进行数据处理，进行定时存盘、打印、显示、报警还要 及时将数据送往模拟盘实现动态显示。在下端出现异常时，数据不能立即上传， 必须等待监控主机下达命令，故网络灵活性较差，在许多实时性要求较高的场合， 这是致命的弱点，有可能造成重大事故。 ( 3 ) 传统的监控系统信息鲍传输速率一般在j 2 0 q b i 臻戮2 4 b i 魄之翘，信息传 输速率低，所监测的一些参数，尤其是重要机电设备开停等信号反映不及时。 ( 4 ) 系统中信息只在监控主机与分站之l 日j 传送，而分站与分站之日j 却无法直接 通信。这使网络中的信息不能实现被各分站共享，信息的传送只能通过圭站转发， 故传输的效率低。 在采用c a _ n 总线后，按照习惯，我们仍然将在调度室内用来接收各分站结恳， 并对数据进行分析处理的监控主机称为中心站( 主站) ，将用来接收各传感器信 号的装置称为分站或子站。虽然在名称上仍沿用以前的称谓，但此时整个网络及 各站在系统中的功能、作用却发生了实质性的变化： 1 ) 整个网络由原来类似于集散控制系统的结构形式变为分布式的监测控制 北京交通大学硕士学位论文 形式。 ( 2 ) 煤矿井下电网电压波动大，电磁干扰严重。由于井下的空间狭小，采煤机、 运输机等大型机电设备启动和架线电机车火花等造成电磁干扰严重。故选用一种 具有较强抗干扰能力的总线产品是十分必要的。与一般的网络相比，g 气n 总线是 一种用于工业自动化网络领域的网络，它的物理特性及网络协议更强调工业自动 化的底层监控，其特点是可靠性极高，该产品已被广泛应用于汽车电子控制系统 中，由于在汽车发动机中由火花塞产生的高频干扰和机械振动都非常强，而c a n 总线能在这种环境中可靠地工作，说明具有很强的抗干扰能力。 e 3 ) 网络的数据传输速度大大提高，当通信距离为1 湎时，由c a n 总线实现 的微机监测系统数据传输速率为5 0 0 叻p s ，这一速率远远超过了目前现有的监测系 统，速率的提高意味着系统循检时间，实时性等指标的进一步提高。 ( 4 ) 由于c a n 所采用的信息格式为短帧结构，所以对于最高优先级的通信请求 来说，在1 m b p s 的通信速率时，最长的等待时间仅0 1 5 m s 完全可以满足现场控制级 的实时性要求，在煤矿生产监控系统中，当采用5 0 0 0 b i 协的通信速率时，最长的等 待时间也仅为2 9 8 m s ，完全能够满足矿井实时监控系统的要求。 ( 5 ) 通过上面的分析可以看出，由c a n 总线实现的矿井变电站多主实时监控系 统具有实时性强，传输介质无特殊要求，传输距离远，传输速率商，通信灵活等 优点”1 4 l 。 3 4c a n 总线在煤矿井下变电站实时监控系统中的应用 2 2c a n 总线竞争问题的解决 在标准格式中如图3 1 所示，报文的起始位称为帧起始( s 0 n ，然后是由l l 位标 识符和远程发送请求位( 册t ) 组成的仲裁场。r t r 位标明是数据帧还是请求帧，在 请求帧中没有数据字节。 控制场包括标识符扩展位( i d e ) ，指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一 个保留位“o ) ，为将来扩展使用。它的最后四个字节用柬指明数据场中数掘的长度 ( d i c 。数据场范围为m 8 个字节，其后有一个检测数据错误的循环冗余检查( c r q 。 应答场( a c k ) 包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平( 逻辑 1 ) ，这时正确接收报文的接收站发送主控电平( 逻辑0 ) 覆盖它。用这种方法，发送 站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。 报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文问有一很短的问隔位，如果这 监控系统中智能通信接口的设计 4 监控系统中智能通信接口的设计 目前许多智能控制系统多以单片机为核心。单片机具有数字处理的功能，可 广泛应用于家用电器和工业控制中。因此硬件电路的设计首先应该选择一个与其 功能相匹配的单片机，其次还包括其他外围器件的选取及设计调试。 基于c a n 总线的变电站实时监控系统的关键硬件就是前端智能通信接口，通 过该接口来实现与智能测控单元和数据中心站的数据交换。 4 1智麓通信接口的结构 井下监控智能通信接口具有控制、显示、通讯等功能，因此整个硬件电路分 为以下几个主要的功能模块：微处理器单元模块、键盘输入单元模块、液晶显示 模块、通讯模块和电源模块等l “埘。智能通信接口的总体硬件结构图如图4 1 所示。 煤矿并下交电站监控系统中前置机通讯模块的硬件部分有以下几个部分组 成：朋 8 9 c 5 2 控制器、s j a l 0 0 0 独立的c a n 控制器、p c a 8 2 c 2 5 0 收发器、6 n 1 3 7 光 电隔离器。控制器a r 8 9 c 5 2 负责s j a l o o o 的初始化，通过控制p c a 8 2 c 2 5 0 来实现数 据的接收和发送等通信任务。 扩晨的外部存储嚣 微处理器 仁昏翠 a t 8 9 c s 2 斗司 爿r 蹦辐总线收发器 = 爿 幽4 1 智能通信接口的结构框酗 魂4 1 n f i g r a b 咖o fl n 培u i g c tc o 咖u n j “彻 4 2主要芯片的选取及硬件设计 1 2 5c p u 处理模块的选取 北京交通人学硕士学位论文 1 单片机 本系统各个c a n 节点都采用a 1 m e l 公司生产的a 髑9 c 5 2 单片机作为主控制 器，选择a t 8 9 c 5 2 的主要原因如下； 首先根据系统所承担的任务。确定c p u 的位数。单片机的c p u 选型十分重要。 如果选型适当，能大大缩短开发周期、降低成