CN103217954B - 一种矿山井下监测监控装置 - Google Patents
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Abstract
一种矿山井下监测监控装置，属于矿山井下监测设备技术领域，用于矿山井下各种传感器、设备运行状况的远程监测监，其技术方案是：它的脉冲信号滤波器、脉冲信号光电隔离传输模块、多路模拟信号转换开关、主微控制器模块依次连接，主微控制器模块的输出端口与模块接口A相连接；开关量信号驱动器、开关量信号光电隔离传输模块、多路模拟信号转换开关、从微控制器模块依次连接，从微控制器模块的输出端口分别与模块接口B相连接。本发明可挂接多种传感器，能够实现对风速、一氧化碳、设备开停等进行连续监测，具有多通道、多制式的信号采集功能和通讯功能，并接受地面监控中心输出控制信号，实现了对井下传感器的监控，保证了井下工作的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于各种传感器的参数实测、设备运行状况、开停状态等远程监测与监控的矿山井下监测监控装置，属于矿山井下监测设备技术领域。
背景技术
目前，在金属和非金属矿山井下开采过程中，由于井下环境恶劣，点检工作难度大，增强井下作业的安全性显得非常重要。其中很关键的工作是对井下各种传感器的实测参数、设备运行状况、开停状态数据进行实时连续监测，并向位于地面的系统监控中心传送巡检参数，使监察人员可以实时查看各矿的监测数据，再通过其他必要的人工检查、核查，可全面地掌握各矿的安全生产情况，提高了安全监察工作的有效性。同时执行地面监控中心发往井下的各种控制命令，保证井下工作的安全性。然而目前的矿井监测监控系统虽然满足了井下安全监控的一般需要，但这些系统均存在着控制功能差、通用性差、不规范，系统不兼容、井下信息传输设备物理接口协议不规范、性能价格比低等问题，这既不符合监测与控制并重、硬件通用、软件兼容、现场总线监控与三维界面显示技术应用的发展趋势，又满足不了高效、安全生产的需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种矿山井下监测监控装置，这种矿山井下监测监控装置可挂接多种传感器，能够实现对风速、一氧化碳、设备开停等进行连续监测，具有多通道、多制式的信号采集功能和通讯功能，并接受地面监控中心输出控制信号，实现了对井下传感器的监控，保证了井下工作的安全性。
解决上述技术问题的技术方案是：
一种矿山井下监测监控装置，它的构成中包括脉冲信号滤波器、脉冲信号光电隔离传输模块、多路模拟信号转换开关、主微控制器模块、从微控制器模块、隔离电源、模块接口B、多路模拟信号转换开关、开关量信号光电隔离传输模块、开关量信号驱动器、模块接口A、MCU投入运行\停止运行切换模块、输出信号隔离电路、输出信号上传到上位机显示、输出信号调理模块，传感器脉冲输入信号通过脉冲信号滤波器与脉冲信号光电隔离传输模块的输入端相连接，脉冲信号光电隔离传输模块的输出端与多路模拟信号转换开关的输入端相连接，多路模拟信号转换开关的输出端与主微控制器模块的输入端口相连接，主微控制器模块的输出端口与模块接口A相连接；开关量输入信号通过开关量信号驱动器与开关量信号光电隔离传输模块的输入端相连接，开关量信号光电隔离传输模块的输出端与多路模拟信号转换开关的输入端口相连接，多路模拟信号转换开关的输出端口与从微控制器模块的输入端口相连接，从微控制器模块的输出端口分别与模块接口B、输出信号隔离电路输入端相连接，输出信号隔离电路的输出端与输出信号调理模块的输入端相连接，输出信号上传到上位机显示与输出信号调理模块相连接，MCU投入运行\停止运行切换模块分别与主微控制器模块、从微控制器模块相连接。
上述矿山井下监测监控装置，所述主微控制器模块连接的模块接口A与CAN通讯控制器A相连接，CAN通讯控制器A与CAN通讯信号隔离传输模块A相连接，CAN通讯信号隔离传输模块A与CAN总线驱动器A相连接。
上述矿山井下监测监控装置，所述主微控制器模块分别与RS485总线通讯、TCP/IP通讯模块、工业用段LED显示器相连接
上述矿山井下监测监控装置，所述从微控制器模块连接的模块接口B与CAN通讯控制器B相连接，CAN通讯控制器B与CAN通讯信号隔离传输模块B相连接，CAN通讯信号隔离传输模块B与CAN总线驱动器B相连接。
上述矿山井下监测监控装置，所述从微控制器模块的输出端口分别与32KSRAM、LCD液晶显示器、RS232通讯模块、I2C通讯模块相连接。
上述矿山井下监测监控装置，所述主微控制器模块和从微控制器模块均分别与看门狗监控模块、UPS电源工作状态检测模块相连接。
上述矿山井下监测监控装置，所述MCU投入运行\停止运行切换模块与18V-5V DC-DC隔离降压转换模块相连接。
本发明的有益之处在于：
本发明可以挂接多种传感器，能够实现对风速、一氧化碳、设备开停等进行连续监测，具有多通道、多制式的信号采集功能和通讯功能；本发明利用CAN总线和光纤传输相结合的方式实现数据的发送和接收，将监测分站监测的各种环境参数、设备状态传输到地面监控中心，并接受地面监控中心输出控制信号，实现了对井下传感器的监控，保证了井下工作的安全性；本发明连接的上位机监控界面具有专用数据库，能够实现数据的存储、打印输出功能，开发的三维显示界面，对传感器采集的数据进行自动显示和统计，显示内容形象，同时具有异常情况自动报警、提醒等功能以及具有软件调度功能，实现局域网共享。保证了井下通讯作业的正常，为井下作业人员安全提供了保障。
本发明解决了现有的监控监测系统存在的控制功能差、通用性差、不规范，系统不兼容、井下信息传输设备物理接口协议不规范、性能价格比低等问题，是现有设备的升级换代产品。
附图说明
图1是本发明的电原理框图；
图2是本发明的电原理图。
图中标号如下：传感器脉冲输入信号1、脉冲信号滤波器2、多路模拟信号转换开关3、主微控制器模块4、从微控制器模块5、隔离电源6、模块接口B7、多路模拟信号转换开关8、开关量信号光电隔离传输模块9、开关量信号驱动器10、开关量输入信号11、模块接口A12、MCU投入运行\停止运行切换模块13、输出信号隔离电路14、输出信号上传到上位机显示15、输出信号调理模块16。
具体实施方式
本发明的结构中分别以主微控制器模块4、从微控制器模块5为核心，对传感器脉冲输入信号1和开关量输入信号11进行处理。
图中显示，传感器脉冲信号1经过脉冲信号滤波器2、脉冲信号光电隔离传输模块、多路模拟信号转换开关3与主微控制器模块4相连。实现了传感器的脉冲信号的采集功能，经过隔离滤波后输入多路模拟信号转换开关3，利用多路模拟信号转换开关3的选择输出作用，实现同时有多路传感器信号输入时的有序处理，保证了主微控制器模块4的信号采集功能。
CAN通讯控制器A、CAN通讯信号隔离传输模块A、CAN总线驱动器A、RS485总线通讯、TCP/IP通讯模块与主微控制器模块4相连。利用CAN模块实现不同分站轻松组建自愈环网，结合光纤传输实现各个分站的数据向上位机的传输，实现通讯功能。
看门狗监控模块、MCU投入运行/停止运行切换模块13、18V-5V DC-DC隔离降压转换模块、UPS电源工作状态检测模块、工业用段LED显示器与主微控制器模块4相连。看门狗监控模块实现系统运行定期自动复位，保证系统正常运行，防止进入死循环；隔离降压转换模块为主微控制器模块4提供稳定供电电压；UPS电源工作状态检测模块实现对UPS电源的实时监测，保证掉电时对系统的稳定供电，实现监测数据在电网掉电后仍能继续监测4小时以上。
图中显示，开关量信号驱动器10、开关量信号光电隔离传输模块9与从微控制器模块5相连，实现开关量信号的采集与处理功能，采集的传感器输出的开关量信号经过隔离驱动输入到从微控制器模块5的I/O口处理。
32KSRAM、CAN通讯控制器B、CAN通讯信号隔离传输模块B、CAN总线驱动器B 与从微控制器模块5相连。利用CAN通讯信号隔离传输模块B、CAN总线驱动器B实现控制器与上位机之间的通讯，利用32KSRAM实现采集数据的存储。
看门狗监控模块、18V-5V DC-DC隔离降压转换模块、UPS电源工作状态检测模块、LCD液晶显示器、RS232通讯模块、I2C通讯模块与从微控制器模块5相连。LCD液晶显示器实现工作状态与系统报警信号的显示，一旦系统故障，从微控制器模块5输出报警信号，实现分站的自诊断和故障显示功能，同时进行声光报警。结合开发的上位机软件，实现初始化参数的设置和掉电保护功能。
图中显示，主微控制器模块4、从微控制器模块5、信号滤波器、信号光电隔离传输模块、多路模拟信号转换开关实现开关量与模拟量信号采集控制功能，CAN通讯控制器、CAN通讯信号隔离传输模块、CAN总线驱动器实现各个分站之间的通讯与自愈环网的轻松组建以及向上位机的信息传输，段LED显示器、LCD液晶显示器实现工作状态的显示与报警信号的显示，18V-5V DC-DC隔离降压转换模块、UPS电源工作状态检测模块实现系统稳定供电。
图中显示，本发明的一个实施例采用的部分器件如下：
主微控制器模块4、从微控制器模块5为Atmega128微控制器；多路模拟信号转换开关3、多路模拟信号转换开关8为CD4051芯片；脉冲信号光电隔离传输模块、开关量信号光电隔离传输模块9为P521芯片；MCU投入运行\停止运行切换模块13为MAX705芯片；输出信号隔离电路14为P521芯片；输出信号上传到上位机显示15为8550芯片。
以单独的采集一路传感器脉冲信号和一路开关量信号输入为例，采集的开关量、脉冲信号经过滤波电路、稳压电容、高速光耦组成的信号调理电路后为4mA-20mA信号分别输入到多路模拟信号转换开关CD4051芯片的第4引脚和第2引脚，输出信号分别从CD4051芯片的第12引脚分别输入到主微控制器模块4的Atmega128微控制器的引脚15、从微控制器模块5的Atmega128微控制器的I/O引脚10。主微控制器模块4、从微控制器模块5的Atmega128微控制器的第4引脚输出复位和看门狗电路的控制脉冲信号，定时的向看门狗输出低（高）电平信号，保证系统正常稳定运行。CAN通讯模块，利用带SPI接口的CAN总线控制器MCP2515的四路SPI输出引脚分别与主微控制器模块4、从微控制器模块5的Atmega128微控制器的引脚38、39、40、41相连，从微控制器模块5的Atmega128微控制器的引脚31输出控制信号，经过输出信号隔离电路14、输出信号调理模块16、输出信号上传到上位机显示15， 实现井下监测监控分站系统的基本功能。
另外，主微控制器模块4、从微控制器模块5的Atmega128微控制器的引脚5、6、7、8连接安装在分站外壳上LCD显示屏，通过LCD显示屏上的九盏指示灯指示分站的工作状态与报警信号以及输出通道的信息，LED 液晶显示器做为上位机显示界面，开发的三维显示界面，对传感器采集的数据进行自动显示和统计，显示内容形象，同时具有异常情况自动报警、提醒等功能以及具有软件调度功能，实现局域网共享。
本发明具有如下主要功能：
具有双向通信及工作状态指示功能；具有风速、风压、一氧化碳、二氧化氮、温度等模拟量采集及显示功能；具有馈电状态、风筒开关、风门开关、烟雾等开关量采集及显示功能；具有累计量采集功能，具有控制（含断电和声光报警，声光报警可由传感器或声光报警器完成）功能；具有初始化参数设置和掉电保护功能，而且初始化参数可通过监控主机的上位机软件进行输入和修改；具有自诊断和故障指示功能，具有备用电源。当电网停电后，应能对风速、风压、一氧化碳、二氧化氮、局部风机开停等主要监控量继续监控4个小时以上。
本发明作为井下监测监控分站分布在井下，本发明的上游与工业级光纤环网交换机相连接，本发明的下游连接有被控机电设备、风速传感器、风机开停传感器、红外二氧化碳检测传感器、一氧化碳检测传感器、氧气检测传感器。通过这些传感器采集的各种信号，本发明可以实现对井下环境的监测监控，本发明与这些装置的连接与信号传输不属于本发明的涉及的内容，不再赘述。
Claims (7)
1.一种矿山井下监测监控装置，其特征在于：它的构成中包括脉冲信号滤波器（2）、脉冲信号光电隔离传输模块、多路模拟信号转换开关（3）、主微控制器模块（4）、从微控制器模块（5）、隔离电源（6）、模块接口B（7）、多路模拟信号转换开关（8）、开关量信号光电隔离传输模块（9）、开关量信号驱动器（10）、模块接口A（12）、MCU投入运行\停止运行切换模块（13）、输出信号隔离电路（14）、输出信号上传到上位机显示（15）、输出信号调理模块（16），传感器脉冲输入信号（1）通过脉冲信号滤波器（2）与脉冲信号光电隔离传输模块的输入端相连接，脉冲信号光电隔离传输模块的输出端与多路模拟信号转换开关（3）的输入端相连接，多路模拟信号转换开关（3）的输出端与主微控制器模块（4）的输入端口相连接，主微控制器模块（4）的输出端口与模块接口A（12）相连接；开关量输入信号（11）通过开关量信号驱动器（10）与开关量信号光电隔离传输模块（9）的输入端相连接，开关量信号光电隔离传输模块（9）的输出端与多路模拟信号转换开关（8）的输入端口相连接，多路模拟信号转换开关（8）的输出端口与从微控制器模块（5）的输入端口相连接，从微控制器模块（5）的输出端口分别与模块接口B（7）、输出信号隔离电路（14）输入端相连接，输出信号隔离电路（14）的输出端与输出信号调理模块（16）的输入端相连接，输出信号上传到上位机显示（15）与输出信号调理模块（16）相连接，MCU投入运行\停止运行切换模块（13）分别与主微控制器模块（4）、从微控制器模块（5）相连接。
2.根据权利要求1所述的矿山井下监测监控装置，其特征在于：所述主微控制器模块（4）连接的模块接口A（12）与CAN通讯控制器A相连接，CAN通讯控制器A与CAN通讯信号隔离传输模块A相连接，CAN通讯信号隔离传输模块A与CAN总线驱动器A相连接。
3.根据权利要求2所述的矿山井下监测监控装置，其特征在于：所述主微控制器模块（4）分别与RS485总线通讯、TCP/IP通讯模块、工业用段LED显示器相连接。
4.根据权利要求3所述的矿山井下监测监控装置，其特征在于：所述从微控制器模块（5）连接的模块接口B（7）与CAN通讯控制器B相连接，CAN通讯控制器B与CAN通讯信号隔离传输模块B相连接，CAN通讯信号隔离传输模块B与CAN总线驱动器B相连接。
5.根据权利要求4所述的矿山井下监测监控装置，其特征在于：所述从微控制器模块（5）的输出端口分别与32KSRAM、LCD液晶显示器、RS232通讯模块、I2C通讯模块相连接。
6.根据权利要求5所述的矿山井下监测监控装置，其特征在于：所述主微控制器模块（4）和从微控制器模块（5）均分别与看门狗监控模块、UPS电源工作状态检测模块相连接。
7.根据权利要求6所述的矿山井下监测监控装置，其特征在于：所述MCU投入运行\停止运行切换模块（13）与18V-5V DC-DC隔离降压转换模块相连接。
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