CN102118427A - 多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统，包括有本安电源模块，网关模块，以及分别与网关模块通讯连接的动态信号机模块、车载信号机模块、转辙机模块、计轴器模块。本发明安装便捷、价格低廉、工作可靠，是一种全局协调控制的多级网络矿井机车运输监控系统，能够适应数字化矿井行业发展的需求。

Description

多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统

技术领域

本发明涉及矿井监控领域，尤其是一种多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统。

背景技术

矿井机车运输监控系统主要用于对大巷轨道机车运输进行指挥调度、安全监控和生产管理。它可以改善生产条件、保障运输安全、提高指挥效率、增加经济效益，是现代化矿井必不可少的工业现场计算机控制系统。由于采用有线联网的矿井机车运输监控系统则需要开挖道路，铺设管线，建设周期长，费用高昂；完全利用公共无线网络，通信成本过高，信号的传输距离也要受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统，以解决现有技术存在的安装不便、成本较高，工作不可靠的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统，其特征在于：包括有本安电源模块，与井上服务器通过以太网通讯连接的网关模块，以及分别与网关模块通过CAN总线通讯连接的动态信号机模块、车载信号机模块、转辙机模块、计轴器模块；

所述本安电源模块输送本安电源至所述动态信号机模块、车载信号机模块、转辙机模块、计轴器模块，本安电源模块包括供电模块、多路输出模块、电池组、电池保护模块、电源控制模块，所述输出模块分别与供电模块电连接，供电模块实现AC/DC开关电源转换，输出模块实现DC/DC开关电源转换，所述电池组与输出模块电连接，电池组多组串用作为备用电源，所述电池保护模块对电池组进行电池电压检测、断电控制，电池保护模块与电池组封装在一起成为本安部件，所述电源控制模块包括MCU，电源控制模块与供电模块、输出模块电连接，电源控制模块通过Lin总线与网关通讯；

所述网关模块实现以太网和CAN总线之间的异构网络的互联，网关模块 包括MCU主控板，SPI-CAN转接板，Switch连接板和底座板，所述底座板带MCU主控板接口、SPI-CAN转接板接口、Switch连接板接口和电源接口，所述MCU主控板、SPI-CAN转接板、Switch连接板分别接入底座板上各自对应的接口并通过底座板连接在井下工作面，所述底座板的电源接口接外部电源并供电至MCU主控板，SPI-CAN转接板，Switch连接板，所述MCU主控板包括16位Freescale处理器，及分别接入16位Freescale处理器的以太网接口、时钟芯片、电平转换芯片、SPI口，MCU主控板通过以太网口与Switch板通讯连接，MCU主控板通过SPI口和SPI-CAN转接板通信，所述SPI-CAN转接板包括CAN控制器和CAN收发器，所述CAN控制器和CAN收发器之间通过光电隔离器隔开，SPI-CAN转接板的CAN控制器和CAN收发器通过CAN总线与所述动态信号机模块、车载信号机模块、转辙机模块、计轴器模块通讯连接，所述Switch连接板包括HUB控制器芯片IP178CH、网络变压器，所述MCU主控板通过Switch连接板接入以太网；

所述动态信号机模块安装在井下轨道岔道处，动态信号机模块包括CPU、电源模块，以及接入CPU的CAN模块、ZigBee模块、信号显示灯，所述电源模块供电至CPU、CAN模块、ZigBee模块和信号显示灯，电源模块包括电源、与电源电连接的电压转换芯，所述CAN模块包括CAN总线驱动器芯片及其外围电路，所述动态信号机模块通过其CAN模块接入CAN总线与网关模块通讯，所述ZigBee模块包括无线射频芯片及其外围电路，所述动态信号机模块通过其ZigBee模块与所述车载信号机模块无线通信；

所述车载信号机模块安装在井下机车上，车载信号机模块采用PIC18F4680为主控制芯片控制电源模块、语音模块、电压采集模块、信号显示电路、速度传感器接口、ZigBee模块；所述电源模块采用LM2575芯片将外部提供的12V转换为3.3V供至所述语音模块、电压采集模块、信号显示电路、速度传感器接口、ZigBee接口，所述语音模块实现语音播放，语音模块包括语音芯片，接入语音芯片的喇叭、功放芯片，所述信号显示电路实现信号显示，所述电压采集模块采用AD转换得到电压值，信号显示电路包括达林顿功放三极管集成芯片、接入达林顿功放三极管集成芯片的LED发光，所述ZigBee模块包括无线射频芯片及其外围电路，所述车载信号机通过其ZigBee模块与动态信号机模块实现无线通信；

所述转辙机模块安装在井下轨道岔道处，转辙机模块包括电源模块，8位Freescale处理器，以及接入8位Freescale处理器的CAN收发器、译码器、光电隔离器、固态继电器，所述电源模块供电至8位Freescale处理器的CAN收发器、译码器、光电隔离器、固态继电器，所述转辙机模块通过其CAN收发器接入CAN总线与网关模块通讯；

所述计轴器模块安装在井下轨道侧部，计轴器模块包括8位Freescale处理器，接入8位Freescale处理器的、CAN收发器、电源转换芯片、多个计轴传感器，所述计轴传感器分别通过计轴器信号放大电路接入8位Freescale处理器中，所述计轴器模块通过CAN收发器接入CAN总线与网关模块通讯。

所述的多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统，其特征在于：还包括有多个安装在井下的摄像机，所述摄像机接入网关模块的Switch连接板中。

所述的多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统，其特征在于：所述计轴传感器两个成一组安装在井下轨道两侧，且同组的计轴传感器位置错开。

所述的多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统的监控方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、井上服务器通过网关模块、Lin总线和本安电源模块通讯，检测本安电源运行情况和控制本安电源模块关闭或者打开；

(2)、井上服务器通过以太网和网关模块的Switch连接板通讯，同时摄像头通过网关模块的Switch连接板和井上服务器通讯，工作人员在井上服务器通过摄像头观察井下情况；

(3)、计轴器模块通过检测电流的变化，计算出矿车的车速、方向、轴数、漏轴数信息，并通过CAN总线传送至网关模块，网关模块通过以太网向井上服务器上计轴器模块的传数据；

(4)、井上服务器根据井下的工作状态首先通过网关模块，由网关模块通过CAN总线将控制命令发给动态信号机模块，然后由动态信号机模块通过ZigBee模块传送至井下机车的车载信号机模块；

(5)、转辙机模块接收到由网关转发自井上服务器的控制命令后完成转辙， 还通过本地控制命令将转辙机模块的控制权交出由人工按钮完成转辙，左右转动和本地控制在电路上都有相应的LED指示，并且可以实时上报当前道岔位置及电机的工作电压信息。

所述的多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统，其特征在于：所述步骤(4)中，动态信号机模块安装在井下轨道的岔道处形成一个网络，车载信号机模块安装在井下机车上，动态信号机模块、车载信号机模块之间同步显示路况信息。

本发明安装便捷、价格低廉、工作可靠，是一种全局协调控制的多级网络矿井机车运输监控系统，能够适应数字化矿井行业发展的需求。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、先进性

系统的设备大量采用低功耗器件，引入了智能控制，探索出一系列柔性调度算法，解决了动态目标跟踪中的前向不定性和后向不定性问题，行车路径的动态链接问题，信号连锁关系的自动判断问题，设备损坏时拓扑结构的自适应重组问题；以任务和任务串调度方式增强了传统的进路调度方式，实现了自动化调度。

2、实用性

针对煤矿井下环境恶劣，运输生产规律性较差、运输设备完好率不高、人为干扰大的客观条件而设计的，在设备制照和软件编制时也充分考虑了这些不利因素，可以在煤矿现有管理水平和客观环境下良好运行。

3、可靠性

系统的井下分站采用工业控制计算机，各设备大量采用工业级芯片，提高了设备对恶劣环境的适应能力，全部电路中没有一个继电器动触点，从根本上消灭了接触不良这一最大的故障源；各级远地分站之间实现了电气隔离，即使电缆上窜入1000V的高压电流，也能将损失压缩在极小范围内。

由于采用了适度的冗余设计，并在三级计算机中均编制了大量抗干扰、纠错和故障定位程序，使得系统有很强的容错工作能力。系统中所有设备都被另外的智能设备所监视，全部信号线都有短路、断路、漏地的保护和检测，任何设备或电缆发生故障时，系统都能准确定位，立即报警。各级计算机及电源箱均采用板极维护，任何井下设备电路发生故障时，维护人员到达现场后，一般都能在15min 内处理完毕，恢复运行。

系统以编码信号取代电平信号对执行设备进行控制，有效地解决了杂散电流引起设备误动作的问题。

系统全部设备、配备件来源可靠，备有多种专用检测仪表，方便用户自行维修。系统的配件供应，用户培训及维修保障等工作均集中负责，为系统的正常运行提供了可靠保障。

4、经济性

系统所有强电设备采用干线供电，直接弱电控制，省去了配电箱及专门供电电缆，减少了设备数量。系统尽量采用以软代硬的设计思想，强化软件，简化硬件，降低了设备的造价。系统为集散式结构，控制分站就近安装在控制现场大巷侧壁上，大大减少了电缆投资，也减少了施工费用。系统利用监测过程中采集的数据开发了生产管理功能，在不增加井下设备的前提下，增加了信息的利用深度。

附图说明

图1为本发明的系统组成框图。

图2为本发明所涉及的本安电源模块硬件框图。

图3为本发明所涉及的网关模块硬件框图。

图4为本发明所涉及的信号机模块硬件框图。

图5为本发明所涉及的转辙机模块硬件框图。

图6为本发明所涉及的计轴器模块硬件框图。

具体实施方式

如图1所示。本发明系统组成包括本安电源模块、网关模块、动态信号机模块、车载信号机模块、转辙机模块、计轴器模块。

本安电源模块安置在井下，当交流来电时，由供电模块向母线提供27.6V直流电压，供各输出模块使用，同时给电池组充电；当交流掉电后，电池组向母线放电，维持输出模块工作。

网关模块安置在矿井下，对上连接以太网，对下连接CAN总线。其主要功能是实现CAN总线和以太网的异型网络互联。同时，摄像头通过Swtich连接板和井上服务器通信，操作员可以在井上服务器通过摄像头观察井下情况。

动态信号机模块安置在交通路口，在监控系统中用来给出进路开放与闭锁以及运行方向信号。动态信号机模块既是CAN总线网络中的节点，也是ZigBee无线网络中的节点，承担着CAN网络与ZigBee网络之间相互通信的重要使能。

车载信号机模块安装在井下机车上，通过ZigBee模块无线通信与动态信号机进行数据交换，实时上报车号、车类、车速、电压等信息，同时接收上位机控制命令，具有前方信号灯指示与限速预警报告功能。

转辙机模块安装在轨道的岔道处，用于改变道岔开通方向、锁闭道岔尖轨，同时可以上报当前道岔位置及电机的工作电压等信息。

计轴器模块中，计轴传感器两个成一组工作，安装在轨道两侧，采集经过矿车的车速、方向、轴数、漏轴数等实时信息，并通过CAN总线向控制中心上传这些数据，以及完成故障检测和报警等功能。

具体实施中，井上服务器通过光纤以太网与嵌入式CAN-Ethernet网关模块进行通信，网关模块通过CAN总线与挂载在CAN总线网络上的节点进行信息交互。动态信号机模块、转辙机模块、计轴器模块都是挂载在CAN网络上的一个节点，其中，动态信号机模块通过无线通信方式与井下机车上的车载信号机模块进行通信。

如图2所示，本安电源模块包括供电模块、输出模块、电池组、电池保护模块、控制模块，其中：

供电模块包括自带A/D转换的微控制器STC2052AD、Lin控制器TJA1020、温度控制芯片TOP258YN、温度传感器、变压器、光隔、负温度系数电阻器、全桥整流器，完成AC/DC开关电源转换功能，供电模块即AC/DC开关电源转换模块，输入85-250V交流电，输出12V/1.5A直流电，并具有交流掉电信号输出。

输出模块包括电源控制芯片LT3837、电源MOS管、线性稳压器LT1963、三极管、光隔、电压比较器LM339，实现本安输出，能严格限制输出最高电压和最大电流，并且在单个元件故障时不丧失本安保护功能；输出模块即DC/DC开关电源转换模块包括5路模块，1路5V输出模块：输入16-28V直流电，输出5V/500mA直流电，该模块无需外部输出控制，一直供电；但要有漏地检测信号输出，4路15V输出模块：输入9-16V直流电，输出15V/800mA直流电，该模块有分站控制输出启/停命令和检测模块供电/保护状态，并有漏地检测信号输出。 最大输入10W，最大输出6W。

电池组采用LC-R127CH1铅酸胶体电池(12V/7Ah/20HR)，84Wh，放电下限电压8V，浮充电压13.8V，最大充电电流2.8A，用作备用电源。

电池保护模块包括电池电压检测电路，断电控制电路，整个模块与电池封装在一起，使之成为本安部件；电池保护模块可以限制最大充电电流、最高浮充电压、最低放电电压。

控制模块包括MCU检测各种监测信号和发出控制信号，并以Lin总线和网关交换数据。

如图3所示，网关模块包括MCU主控板，SPI-CAN转接板，Switch连接板和底座板，其中：

MCU主控板包括16位Freescale嵌入式处理器、以太网接口、时钟芯片、电平转换芯片74HCT245等，用于维持精确的本地时钟、存储信息和控制数据、实施优化算法；MCU的以太网口与Switch板相连，接入以太网，另一方面通过SPI口和SPI-CAN转接板通信。

SPI-CAN转接板主要包括CAN控制器MCP2515、CAN收发器SJA1040以及12V转5V电源芯片78L05，主要完成对井下工作面的CAN数据和MCU板需要的SPI数据的收发和转换；CAN控制器MCP2515和CAN收发器SJA1040之间通过光隔隔开，保证SJA1040的信号不被干扰。

Switch连接板包括HUB控制器芯片IP178CH、网络变压器和相应的外围器件，将以太网和MCU板连接。这块板是Ethernet的集线器，将其单独作为一块板而没有并入主功能板是因为此块板本身面积较大，走线比较复杂，而且其功能独立，单独画板有利于系统调试。板上面只有+5V一种电平，它也实现了主功能板与Ethernet之间的隔离；Switch连接板选用HUB控制器芯片IP178CH，将以太网和MCU板连接。

底座板包括以上几个板子的接口以及电源接口等，用于对MCU控制板，SPI-CAN转接板，Switch连接板整体供电以及连接井下工作面。

如图4所示，信号机包括动态信号机模块和车载信号机模块。动态信号机模块是系统实现与车载信号机模块通信的桥梁，完成车载信号机模块与网关模块之间的信息转发。将车载信号机模块上行的ZigBee数据帧解析并封装成CAN数 据帧上传；接收上位机下行给车载信号机模块的控制命令解析并打包成ZigBee数据帧通过ZigBee无线通信技术传送到车载信号机模块。同时该模块本身有信号显示功能，根据下行给动态信号机的命令，进行不同的模式显示。其主要由电源模块、CAN模块、ZigBee模块以及信号显示灯这几个功能块组成。电源模块用来给整个动态信号机提供电源、CAN模块实现CAN总线通信、ZigBee模块实现无线射频通信、信号显示灯用来进行信号指示功能。车载信号机模块通过ZigBee无线通信，与动态信号机进行数据交换，实时上报车号、车类、车速、电压等信息，同时接收上位机控制命令，具有前方信号灯指示与限速预警报告功能。其主要包括电源模块、语音模块、ZigBee模块、信号显示灯、速度传感器接口、电压采集电路等。

动态信号机模块中，电源模块主要由12V电源箱及电压转换芯片LM2576组成，既可以直接用12V电源箱对信号灯供电，又可以满足CPU、无线射频模块、CAN收发器SJA1040等对5V电源的需求；CAN模块包括高速CAN总线驱动器TJA1040芯片，ESD保护电路，滤波电容等，用于CAN总线网络的通信；ZigBee模块包括无线射频芯片MC13192、复位开关、晶振电路、调试接口，实现无线射频通信。

车载信号机中，电源模块包括LM1117-ADJ 5V-3V电平转换芯片、LM257612V-5V电平转换芯片，分别满足模块内对各种电源的需求；语音模块包括语音芯片ISD4002、喇叭、功放芯片TDA2003，完成语音播报功能；信号显示电路包括达林顿功放三极管集成芯片ULN2803、LED发光管，主要用于信号显示；ZigBee模块包括无线射频芯片MC13192、复位开关、晶振电路、调试接口，实现无线射频通信。

如图5所示，转辙机模块包括8位Freescale处理器、CAN收发器、电源模块、译码器、光隔、固态继电器等，它安装在岔道处，用于改变道岔开通方向，同时可以上报当前道岔位置及电机的工作电压等信息。

如图6所示，计轴器模块包括多个计轴传感器、8位Freescale处理器、CAN收发器TJA1040、四运放集成块LMV324、电压转换芯片LM2575等。计轴传感器两个成一组工作，交错地安装在轨道两侧，根据电压变化计算矿车的车速、方向、轴数、漏轴数等实时信息，并通过CAN总线向控制中心上传这些数据。

Claims (5)

1.多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统，其特征在于：包括有本安电源模块，与井上服务器通过以太网通讯连接的网关模块，以及分别与网关模块通过CAN总线通讯连接的动态信号机模块、车载信号机模块、转辙机模块、计轴器模块；

所述本安电源模块输送本安电源至所述动态信号机模块、车载信号机模块、转辙机模块、计轴器模块，本安电源模块包括供电模块、多路输出模块、电池组、电池保护模块、电源控制模块，所述输出模块分别与供电模块电连接，供电模块实现AC/DC开关电源转换，输出模块实现DC/DC开关电源转换，所述电池组与输出模块电连接，电池组多组串用作为备用电源，所述电池保护模块对电池组进行电池电压检测、断电控制，电池保护模块与电池组封装在一起成为本安部件，所述电源控制模块包括MCU，电源控制模块与供电模块、输出模块电连接，电源控制模块通过Lin总线与网关通讯；

所述网关模块实现以太网和CAN总线之间的异构网络的互联，网关模块包括MCU主控板，SPI-CAN转接板，Switch连接板和底座板，所述底座板带MCU主控板接口、SPI-CAN转接板接口、Switch连接板接口和电源接口，所述MCU主控板、SPI-CAN转接板、Switch连接板分别接入底座板上各自对应的接口并通过底座板连接在井下工作面，所述底座板的电源接口接外部电源并供电至MCU主控板，SPI-CAN转接板，Switch连接板，所述MCU主控板包括16位Freescale处理器，及分别接入16位Freescale处理器的以太网接口、时钟芯片、电平转换芯片、SPI口，MCU主控板通过以太网口与Switch板通讯连接，MCU主控板通过SPI口和SPI-CAN转接板通信，所述SPI-CAN转接板包括CAN控制器和CAN收发器，所述CAN控制器和CAN收发器之间通过光电隔离器隔开，SPI-CAN转接板的CAN控制器和CAN收发器通过CAN总线与所述动态信号机模块、车载信号机模块、转辙机模块、计轴器模块通讯连接，所述Switch连接板包括HUB控制器芯片IP178CH、网络变压器，所述MCU主控板通过Switch连接板接入以太网；

所述动态信号机模块安装在井下轨道岔道处，动态信号机模块包括CPU、电源模块，以及接入CPU的CAN模块、ZigBee模块、信号显示灯，所述电源模块供电至CPU、CAN模块、ZigBee模块和信号显示灯，电源模块包括电源、与电源电连接的电压转换芯，所述CAN模块包括CAN总线驱动器芯片及其外围电路，所述动态信号机模块通过其CAN模块接入CAN总线与网关模块通讯，所述ZigBee模块包括无线射频芯片及其外围电路，所述动态信号机模块通过其ZigBee模块与所述车载信号机模块无线通信；

所述车载信号机模块安装在井下机车上，车载信号机模块采用PIC18F4680为主控制芯片控制电源模块、语音模块、电压采集模块、信号显示电路、速度传感器接口、ZigBee模块；所述电源模块采用LM2575芯片将外部提供的12V转换为3.3V供至所述语音模块、电压采集模块、信号显示电路、速度传感器接口、ZigBee接口，所述语音模块实现语音播放，语音模块包括语音芯片，接入语音芯片的喇叭、功放芯片，所述信号显示电路实现信号显示，所述电压采集模块采用AD转换得到电压值，信号显示电路包括达林顿功放三极管集成芯片、接入达林顿功放三极管集成芯片的LED发光，所述ZigBee模块包括无线射频芯片及其外围电路，所述车载信号机通过其ZigBee模块与动态信号机模块实现无线通信；

所述转辙机模块安装在井下轨道岔道处，转辙机模块包括电源模块，8位Freescale处理器，以及接入8位Freescale处理器的CAN收发器、译码器、光电隔离器、固态继电器，所述电源模块供电至8位Freescale处理器的CAN收发器、译码器、光电隔离器、固态继电器，所述转辙机模块通过其CAN收发器接入CAN总线与网关模块通讯；

所述计轴器模块安装在井下轨道侧部，计轴器模块包括8位Freescale处理器，接入8位Freescale处理器的、CAN收发器、电源转换芯片、多个计轴传感器，所述计轴传感器分别通过计轴器信号放大电路接入8位Freescale处理器中，所述计轴器模块通过CAN收发器接入CAN总线与网关模块通讯。

2.根据权利要求1所述的多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统，其特征在于：还包括有多个安装在井下的摄像机，所述摄像机接入网关模块的Switch连接板中。

3.根据权利要求1所述的多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统，其特征在于：所述计轴传感器两个成一组安装在井下轨道两侧，且同组的计轴传感器位置错开。

4.一种基于权利要求1所述的多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统的监控方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、井上服务器通过网关模块、Lin总线和本安电源模块通讯，检测本安电源运行情况和控制本安电源模块关闭或者打开；

(2)、井上服务器通过以太网和网关模块的Switch连接板通讯，同时摄像头通过网关模块的Switch连接板和井上服务器通讯，工作人员在井上服务器通过摄像头观察井下情况；

(3)、计轴器模块通过检测电流的变化，计算出矿车的车速、方向、轴数、漏轴数信息，并通过CAN总线传送至网关模块，网关模块通过以太网向井上服务器上计轴器模块的传数据；

(4)、井上服务器根据井下的工作状态首先通过网关模块，由网关模块通过CAN总线将控制命令发给动态信号机模块，然后由动态信号机模块通过ZigBee模块传送至井下机车的车载信号机模块；

(5)、转辙机模块接收到由网关转发自井上服务器的控制命令后完成转辙，还通过本地控制命令将转辙机模块的控制权交出由人工按钮完成转辙，左右转动和本地控制在电路上都有相应的LED指示，并且可以实时上报当前道岔位置及电机的工作电压信息。

5.根据权利要求4所述的多层异构工控网络融合技术下的矿井机车监控系统，其特征在于：所述步骤(4)中，动态信号机模块安装在井下轨道的分道处形成一个网络，车载信号机模块安装在井下机车上，动态信号机模块、车载信号机模块之间同步显示路况信息。

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