本文針對煤礦監(jiān)測系統存在網絡瓶頸、采集終端不兼容的不足，研究了基于CAN總線的煤礦安全分布式監(jiān)控系統。根據礦井的特點設計了通用智能環(huán)境監(jiān)控終端和機電設備運行狀態(tài)監(jiān)控終端，并通過CAN總線實現多節(jié)點高速、高可靠性的網絡互聯，對煤礦環(huán)境安全參數和設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，各監(jiān)控終端可根據優(yōu)先級別自主通訊，主機對全局參數進行信息融合、綜合分析與診斷及預警連鎖及輔助決策。

    隨著社會的發(fā)展，能源需求快速增長，我國煤炭資源豐富，油氣資源相對貧乏，煤炭需求進入高增長期。而我國地質條件惡劣，47％的礦井屬于高瓦斯或瓦斯突出礦井，煤礦事故頻發(fā)，近幾年，隨著國家對煤礦企業(yè)安全生產要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需要，我國煤礦企業(yè)開始重視基礎設施建設，加大安全投入，煤礦安全監(jiān)控系統得到了普遍應用，大大提高了礦井安全生產水平和安全生產管理效率[1，2]。

    我國煤礦安全監(jiān)控技術是伴隨著煤炭工業(yè)發(fā)展而逐步發(fā)展起來的，80年代初，從波蘭、法國、德國、英國和美國等引進了一批安全監(jiān)控系統(如CMC-1、CTT63/40、TF200、MINOS和DAN6400)，推動了我國礦井安全監(jiān)控技術的發(fā)展進程，通過消化、吸收并結合我國煤礦的實際情況，先后研制出了KJ4、KJ10、KJ66、KJ70、KJ95、KJF2000、MSNM、WEBGIS等監(jiān)控系統[3~5]。實踐表明，煤礦安全監(jiān)控系統是煤炭高產、高效、安全生產的重要保證。

    目前，我國煤礦監(jiān)控系統信息傳輸中廣泛應用的是串行通信總線，主要有RS-232、RS-485或其FSK調制解調傳輸方式等[6]?，F有監(jiān)控系統尚存在許多缺點和不足，主要表現在：

1）現有系統的通信協議均自我定義、互不兼容，從而造成不同廠家的設備無法接入，無法共享傳輸通道。
2）現有系統均為主從式傳輸，無法構成多主冗余系統，其可靠性受地面主站設備及主干電纜影響很大，主節(jié)點任務繁忙或出現故障可能引起系統癱瘓。
3）無法構成多主結構，不能滿足監(jiān)控分站之間相互通信的要求。
4）可靠性和實時性均無法滿足實時測控功能的要求。

    在現場總線領域，CAN總線以其卓越的性能而在工業(yè)控制領域得到了廣泛的應用，CAN總線是最早被ISO制定為國際標準的現場總線，克服了串行總線的缺點，以其諸多的優(yōu)點較好地滿足煤礦監(jiān)控系統的要求。相比于串行通信系統，具有較好的差錯控制能力，可靠性高，高速率長距離的傳輸特性，完善的規(guī)范和協議等優(yōu)點。

    本文研究了基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統，對礦井安全環(huán)境參數、通風機運行狀態(tài)參數、變電所電量參數、礦井機電設備運行參數等進行實時監(jiān)控，為各級生產指揮與調度部門提供環(huán)境安全參數動態(tài)信息，通過對被測參數的比較和分析，為預防災害事故提供技術數據，便于提前采取防范措施，通過對被測參數實施實時有效的控制，及時實現自動報警、斷電和閉鎖，便于制止事故的發(fā)生或擴大，在發(fā)生事故的情況下，能根據巷道安全參數及時優(yōu)化最佳避災和救災路線，為搶救和疏散人員、器材，提供決策信息。具有重大的經濟效益和現實意義。

1CAN總線概述
    控制器局域網(CAN—CONTROLLERAREANETWORK)是BOSCH公司為現代汽車應用領先推出的一種多主機局部網，由于其卓越性能CAN總線的應用從汽車的電子行業(yè)擴展到機械工業(yè)、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫(yī)療器械、家用電器及傳感器等領域，CAN已經形成了國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現場總線之一，具有以下特點：

1）CAN總線是國際標準的工業(yè)級現場總線，具有可靠性高，支持多處理器，鏈路簡單，并支持優(yōu)先級處理。
2）采用多主工作方式，網絡上任意節(jié)點均可主動向其他節(jié)點發(fā)送信息，且可按系統實時性要求分成不同的優(yōu)先級，一旦發(fā)生總線沖突可減少總線仲裁時間。[nextpage]
3）采用短幀結構并有硬件CRC校驗，受干擾概率低，總線占用時間短，可保證通信的實時性。
4）發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)，節(jié)點在錯誤嚴重時具有自動退出總線的功能，不影響總線的通訊。
5）其傳輸介質可用雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率最高達1Mbps/40m和5Kbps/10km。
6）單條總線可接110個節(jié)點，并可通過網橋方便地擴充節(jié)點數。

2監(jiān)控系統構成
2.1監(jiān)測參數的選擇
    煤礦的生產過程很復雜，而且大多集中在井下，礦井開拓、回采、巷道掘進與維護、井下運輸與提升、通風控制、動力供應、排水控制等各系統之間錯綜復雜，存在空間和時間的相互聯系，相互制約的復雜關系，為了保證生產的安生和協調性，常選擇以下安全監(jiān)控參數與重要機電設備運行參數：

    礦井安全環(huán)境監(jiān)測參數：甲烷（瓦斯）CH4濃度、一氧化碳CO濃度，二氧化碳CO2濃度、風速、風量、溫度、風門、粉塵濃度等。

工作面監(jiān)測參數：開停控制、瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、溫度、粉塵濃度、風速和風門等。
通風機、壓縮機運行狀態(tài)參數：開停狀態(tài)、振動量、軸承溫度、電機電流、負壓等。
變電所電力參數：功率、電壓、電流、開關狀態(tài)與控制等。
皮帶機運行狀態(tài)參數：開?？刂?、煤位、煙霧濃度等。
泵房控制器：水泵開?？刂?、水位監(jiān)測等。

2.2分布式智能監(jiān)控原理
    分布式智能終端分兩種形式，一種為環(huán)境參數監(jiān)控終端、另一種為機械設備運行狀態(tài)監(jiān)控終端。環(huán)境參數監(jiān)控終端主要監(jiān)測包括模擬量形式的環(huán)境參數，如瓦斯CH4濃度、一氧化碳CO濃度，二氧化碳CO2濃度、巷道風速、風量、負壓、風門、溫度、變電所功率、電壓、電流等，傳感器輸出信號類型為FSK或標準4~20mA/0~5mA形式；開關量形式的設備開停參數，如通風機、水泵、皮帶、掘進機等機械設備的開停、供電電源開關的狀態(tài)等，開關量輸出控制設備的開停、報警及閉鎖。

    機械設備運行狀態(tài)監(jiān)控終端主要監(jiān)測設備振動量、軸承溫度、電機電流、設備的開停，并可遠程控制設備的開停。該監(jiān)控終端與環(huán)境參數監(jiān)控終端的區(qū)別在于模擬信號處理電路、信號分析程序和通訊的內容不同。環(huán)境參數的信號處理只需要對信號采用３σ剔除法和均值統計法進行處理，判斷并進行閾值報警，將分析結果上傳至網絡。而設備運行參數需要對振動信號和電流信號降噪，時域分析，FFT變換，頻域故障診斷，將分析結果上傳，并相隔一定周期將振動與電流原始數據上傳至主機進行精密診斷。

2.3分布式智能監(jiān)控終端硬件結構
    DSP芯片以其性價比高、運算速度快、豐富的信號處理指令而廣泛應用到信號處理和控制領域，成為新一代智能儀器儀表的系統核心。監(jiān)控終端采用TMS320LF2407A芯片為核心，指令周期為25ns，其內部集成有16通道的10位A/D轉換器，A/D轉換時間為375ns，實現模擬量信號的采集；開關量采集由IOPA口輸入；開關量輸出由IOPB口控制。

    由于環(huán)境參數與機電設備運行參數的信號類型和信號處理方法上存在不同，因此，開發(fā)相應的監(jiān)測終端。環(huán)境參數監(jiān)控終端：環(huán)境參數的傳感器大多為智能傳感器，輸出信號形式為4~20mA/0~5mA或FSK，模擬信號預處理電路針對信號類型在每個通道設置有三種輸入方式，通過程控開關選擇相應的輸入路徑，將信號轉換為0~5V電壓信號，然后進入信號跟隨電路、光耦隔離和低通濾波電路；開關量信號輸入電路由光耦隔離和整形電路組成；開關量輸出控制電路由光耦隔離、驅動放大和固態(tài)繼電器組成。[nextpage]

    A/D轉換由TMS320LF2407A片內2個8通道10位A/D轉換器完成，采集數據保存在緩沖區(qū)，采樣結束后啟動信號分析與處理程序，進行時域統計，分析完成后啟動通訊子程序，將分析結果上傳至網絡。

    CAN總線通訊由DSP內嵌CAN總線控制器，外部擴展具有高速光電隔離和總線驅動的收發(fā)器CTM1040組成，具有結構簡單，功能可靠的特點。

    機電設備運行狀態(tài)監(jiān)控終端：由于各區(qū)域的機電設備相對較為集中，監(jiān)測參數較多，采集的信號幅值變化范圍大，特別是對振動信號，需要根據信號特點進行適當的濾波和放大，因此，與環(huán)境參數監(jiān)控終端相比，其模擬信號處理電路相對復雜一些，其中振動信號處理通道包含信號跟隨電路、程控濾波和程控放大電路，濾波電路采用雙路可編程濾波器集成芯片Max262，通過DSP控制濾波器類型和濾波頻率，實現濾波的可程控性；放大電路采用4路64抽頭數字電位器DS1844與集成運放芯片AD526組成的程控放大電路，放大增益通過DSP程序控制，監(jiān)控終端8路A/D輸入通道設計有該信號處理電路對振動信號進行處理，另外8路A/D輸入通道與環(huán)境參數監(jiān)控終端模擬通道一樣，為軸承溫度、負壓輸入通道。系統框圖如圖１所示。

2.4網絡化監(jiān)控系統構成
    由于煤礦井下環(huán)境復雜惡劣，挖掘距離較遠，巷道錯綜復雜，生產布局分散，監(jiān)控點多而且分散，因此，采用適用于高速遠距離的CAN總線構成監(jiān)控網絡，當總線負載數量超過110個監(jiān)控終端時，采用中繼器實現不同網段的互聯。現場分布式監(jiān)控系統通過CAN總線與井上控制室服務器相連，由服務器實現數據的保存、故障診斷以及連鎖控制。監(jiān)控終端根據監(jiān)控對象的重要程度建立優(yōu)先級別，在預警事故或網絡擁塞時優(yōu)選重要參數傳輸至服務器進行綜合分析與協調控制，同時將連鎖控制信息發(fā)至監(jiān)控終端。

    上位機選用IBM-PC機，通過CAN總線計算機接口卡實現總線的連接，同時，監(jiān)測數據通過以太網實現共享，其管理機構和遠程診斷專家可在網絡上瀏覽、查看和分析礦井狀態(tài)，系統的構成如圖2所示。

[nextpage]3上位機軟件設計
    上位機分析和管理程序采用VC++軟件編程實現，實時完成測點自定義，信息采集和處理，具有顯示測量參數、數據報表、歷史數據分類顯示、曲線顯示、圖形生成、數據存儲、故障統計和報表打印功能。

系統主要功能如下：

    1）測點自定義：智能終端開機運行時，首先將配置的傳感器定義及描述發(fā)送至主機，主機對各終端傳感器配置與數據庫中原來監(jiān)控點記錄相比較，若發(fā)現新增監(jiān)測點，則根據描述添加到相應數據庫。并在相應的動態(tài)圖形上添加相應的數據顯示標志。

    2）實時顯示參數：在巷道空間布局示意圖上實時顯示相對重要的監(jiān)控參數，現場技術人員可以根據屏幕顯示的各項數據直接了解礦井狀態(tài)，瓦斯、溫度、風速等不同的參數以不同顏色顯示，當超過閾值報警時，相應參數以紅色顯示，并聲光報警。點擊二級菜單，可以進行細致的參數查看和分析，以指定巷道、工作點、區(qū)域機械設備、瓦斯參數、溫度、風速等不同形式進行顯示。

    3）歷史數據查詢：可以指定某個區(qū)域、某個參數或多個參數對歷史數據進行查詢和分析，分析其變化趨勢，從而有效的了解和掌握礦井安全與生產。

    4）數據分析與故障診斷：上位機充分利用其計算和分析的特點，對環(huán)境監(jiān)控信息從全局進行綜合分析，特別是對瓦斯、溫度、通風信息進行多點信息融合，綜合分析與預報，控制風門與通風機的運行，以及預報事故時風電、瓦斯電連鎖控制，提高礦井安全。對機電設備運行信息采用先進算法進行處理[7，8]：小波信號降噪和頻譜變換、機械與電氣分析的信息融合、設備多個故障混合情況下的盲源信號分離，以及故障特征的數據挖掘等，通過先進算法的精密診斷，提高系統故障預報，避免重要設備的突發(fā)事故的發(fā)生。出現事故預警時對井下巷道網絡的瓦斯、CO濃度等做出趨勢分析，輔助決策逃生與救援方案。

    5）通訊模塊：當系統正常時，主機接收各監(jiān)控點數據；當出現事故預報時主機主動向現場監(jiān)控終端發(fā)送上傳信息請求，并實時監(jiān)控連鎖操作。

4結語
    本文主要研究了基于CAN總線的煤礦安全通用分布式監(jiān)控系統，針對礦井特點設計了智能環(huán)境監(jiān)控終端和機電設備運行狀態(tài)監(jiān)控終端，并通過CAN總線實現多節(jié)點、高速、高可靠性的網絡互聯，對煤礦環(huán)境安全參數和設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，使管理部門對礦井生產特別是瓦斯、通風以及重要設備的運行情況等有一個全局直觀的了解，各監(jiān)控終端可根據優(yōu)先級別進行自主通訊，并可實現現場終端之間的預警連鎖，主機對全局參數進行信息融合、綜合分析、診斷及輔助決策。該系統為煤礦安全通用分布式監(jiān)控系統，其監(jiān)控終端與通訊具有通用性和標準性，通過現場應用表明，該系統運行可靠，具有很好的推廣和應用價值。

    本文創(chuàng)新點：針對礦井特點開發(fā)了通用智能儀器：智能環(huán)境安全監(jiān)測與閉鎖、報警終端以及針對礦井關鍵設備的機電設備狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷終端；并針對礦井傳輸距離遠的特點開發(fā)了基于CAN總線的網絡化監(jiān)控系統。