CN2844988Y - 一种基于控制局域网络技术的煤矿安全监测系统 - Google Patents

一种基于控制局域网络技术的煤矿安全监测系统 Download PDF

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CN2844988Y CNU2005201187666U CN200520118766U CN2844988Y CN 2844988 Y CN2844988 Y CN 2844988Y CN U2005201187666 U CNU2005201187666 U CN U2005201187666U CN 200520118766 U CN200520118766 U CN 200520118766U CN 2844988 Y CN2844988 Y CN 2844988Y
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杨子冬
高翠利
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Abstract

本实用新型属于煤矿安全监测技术领域，涉及基于控制局域网络技术的煤矿安全监测系统，该系统包括设置在井上的监测中心设备和设置在井下工作区域的多个井下数据监测单元及多个井下人员定位单元，所述各井上、进下设备均连接在CAN总线上形成一个监测系统。本实用新型解决了利用先进现场总线技术监测矿井中的气体流动、人员定位以及紧急情况下自动启动各种应急设备的问题。

Description

一种基于控制局域网络技术的煤矿安全监测系统
技术领域
本实用新型属于煤矿安全监测技术领域，特别涉及利用控制局域网络技术、感应技术以及自动化技术所集成的矿井安全状态监测系统。
背景技术
煤炭作为重要的能源，对人民的生产生活具有特殊的意义。随着工业的发展，对于煤炭资源的用量逐年增加，这就在一定程度上要求要加快煤炭开采速度来满足能源需求。但是，开采矿井的生产容量增加的同时，安全监测技术却没有及时的更新或更好的被应用，甚至一些矿主为节约成本在矿井下根本就不安装检测或监测设备。而上述种种情况也直接导致了煤矿事故频频发生，人民的生命和国家的财产都受到了威胁，建立现代化的煤矿安全监测预警系统已成为煤矿生产现代化的标志之一。
控制局域网络(Control Area Network以下简称CAN现场总线)，属于总线式串行通信网络。由于采用了许多新技术和独特的设计思想，与同类产品相比，CAN总线在数据通信方面具有可靠、实时和灵活的优点。CAN国际标准化的制定，推动了它的发展和应用。而传感器技术的发展，特别是气体探测技术的发展，可以将瓦斯等气体的浓度及时感应出来。总体来说，近年来现场总线技术、传感技术、计算机技术等的发展，为煤矿安全监测系统的实现提供了技术保障，并为煤矿安全监测系统的智能化以及持续发展提供了动力
根据近年来中国煤矿频发事故的调查，煤矿事故80％是由瓦斯泄露造成的，可以说，遏制瓦斯在矿井中的含量，就可以避免大量的煤矿事故。传统的进行瓦斯探测的方法是由一定数量的井下人员携带瓦斯探测器，利用瓦斯探测仪器对矿井下的瓦斯含量进行监测，然后进行判断，一旦瓦斯含量超标，探测仪器报警。但井下工作人员有时不能够及时发现探测器工作状态，这也增加了煤炭事故的概率。这种方法在一定程度上不能满足煤矿安全监测的要求。探测仪器报警即使被发现，也只能采取人为手段进行疏散人员，不能利用各种先进技术进行自动化联动控制。而且，井上管理人员通常只能靠人工通知对各种井下情况进行了解，不能对井下人员具体方位进行确定，这给出现事故后的营救工作带来了困难。总之，井上管理人员了解情况实时性不强，不能够及时地向井下发布各种命令和措施。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于控制局域网络(CAN总线)技术的煤矿安全监测系统，该系统能够对煤矿矿井瓦斯等气体进行监测、对人员进行定位，利用CAN总线进行信号传输、控制中心进行数据处理，并根据实际情况做出相应策略。
本实用新型设计的基于控制局域网络技术的煤矿安全监测系统，其特征在于，该系统包括设置在井上的监测中心设备和设置在井下工作区域的多个井下数据监测单元及多个井下人员定位单元，所述各井上、进下设备均连接在CAN总线上形成一个监测系统；所述井上的监测中心设备核心设备为一台嵌有预先编制的处理控制软件程序的计算机及辅助设备；所述每个井下数据监测单元包括一台CAN控制器，该CAN控制器一端分别与该控制器相连的井下设备相连，另一端与CAN总线相连；所述井下人员定位单元包括佩带在进下人员头上的具有无线发射器的感应矿灯和设置在井下工作区域的多个具有无线接收器的CAN接收器，每个CAN接收器均与CAN总线相连。
本实用新型的工作原理：运用瓦斯探测器对矿井下的瓦斯含量进行监测，这些监测数据送入和其相连的CAN控制器，瓦斯含量实时得到监测并定时将瓦斯含量信号传送给控制中心；一旦瓦斯含量超标，控制器启动排风、排水、声光报警，同时也将报警信息利用CAN总线传到井上控制中心上，控制中心再进一步进行应急策略。同时，为了便于管理井下工作人员，将井下工作人员配备感应矿灯，这种矿灯可以以无线形式发信号给与CAN总线相连的接收器，接收器将信号传输给控制中心，控制中心根据传输信号来判断工作人员的位置，可以便于考察工作人员，也为意外事故对受困人员位置定位提供参考。
本实用新型的优点在于：将瓦斯探测器及井下其它设备相连在现场总线上，与控制中心的设备共同构成煤矿安全监测预警系统，利用先进的现场CAN总线技术解决了实时监测矿井环境、对监测数据进行处理、及时预报警情、事故中联动控制、人员定位等问题，整个系统能及时反映情况；采用两导线的现场CAN总线可以节约布设导线的费用和节省安装时间；采用CAN现场总线还可以防止导线数量过多带来的故障。总之，上述特点决定了煤矿安全监测系统具有广阔的前景和实用价值。
附图说明
图1为本实用新型的煤矿安全监测系统总体组成结构框图；
图2为本实用新型的井下数据监测单元组成结构框图；
图3为本实用新型的人员定位单元组成结构框图；
图4为本实用新型的CAN控制器电路组成示意图。
具体实施方式
本实用新型设计的基于CAN现场总线技术的煤矿安全监测系统结构附图及实施例详细说明如下：
本实用新型的煤矿安全监测系统总体组成结构如图1所示，该系统包括设置在井上的监测中心设备和设置在井下工作区域的多个井下数据监测单元及多个井下人员定位单元，所述各井上、进下设备均连接在CAN总线上形成一个监测系统。
上述各部分的具体组成实施例分别说明如下：
上述井上的监测中心设备核心设备为一台(或几台)计算机(本实施例采用的型号为TH-9135)及嵌入其中预先编制的处理控制软件程序(属于本领域的常规技术)，还可设有电话、打印机等辅助设备。
监测中心可通过CAN总线传输的井下监测数据进行实时处理、及时将报警等信息或命令发给井下各个控制器及相应设备进行预报警情及相应处理，并根据实际情况做出相应策略。
上述每个井下数据监测单元的组成实施例结构如图2所示，包括一台CAN控制器，该CAN控制器一端分别与该控制器相连的井下设备(本实施例包括瓦斯探测器、排水设备、排风设备、声光报警等设备，可根据实际情况增减或改变)相连，另一端与CAN总线相连。
本实施例的井下数据监测单元可针对矿井工作区域的实际情况，对瓦斯探测器、排水设备、排风设备、声光报警设备进行优化布设，以保证整个区域内均能得到监测，然后将各设备连接到CAN控制器上。本实施例的CAN控制器由具备低功耗、大存储量、多中断等特点的SJA1000作为通信控制器和AT90S8515作为信号处理器共同组成，这样，CAN控制器就可将各设备采集的各种数据进行处理后通过CAN总线传送到井上的控制中心设备，实现对该区域的情况监测。
上述井下人员定位单元的实施例组成结构如图3所示，包括佩带在进下人员头上的具有无线发射器的感应矿灯和设置在井下工作区域的多个具有无线接收器的CAN接收器(CAN接收器的数量及位置是以保证在的任何位置井下工作人员的感应矿灯所发出的信息均能被接收到)，每个CAN接收器均与CAN总线相连。
感应矿灯能够将感应信号以无线方式发送给与CAN总线相连接的CAN接收器上，CAN接收器在将信息发送给控制中心的计算机上，其中CAN接收器与上述CAN控制器结构相同，也是由SJA1000作为通信控制器和AT90S8515作为信号处理器共同组成。该井下人员定位单元可实现对井下人员的上、下班考勤及人员工作期间的实时定位。
上述各个单元的控制器或接收器均将通信用的2导线连接到CAN总线上即可，可以做到即用即安、随时拆卸。
本实施例的CAN控制器(或CAN接收器，下同)结构如图4所示，由微控制器AT90S8515、通信控制器SJA1000、总线收发器82C250、高速光电耦合器6N137组成。各器件的功能及连接关系为：微处理器AT90S8515负责通信控制器SJA1000的初始化通过控制SJA1000实现数据的收发通信任务。通信控制器SJA1000的AD0-AD7端口连接到微控制器AT90S8515的PC端口，CS端口连接到AT90S8515的PD4端口，PD4端口是AT90S8515片外存贮器地址端口，可选中SJA1000，AT90S8515通过这些地址端口可对SJA1000执行相应的读写操作，SJA1000的RD端口、WR端口、ALE端口分别与AT90S8515的对应引脚相连，SJA1000的INT端口连到AT90S8515的INT0(即PD2)端口上，AT90S8515可通过中断方式访问SJA1000。SJA1000的TX0端口和RX0端口是通过高速光耦6N137后与总线收发器82C250的TXD端口和RXD端口相连，这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离，增强CAN控制器的抗干扰能力。总线收发器82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5Ω的电阻与CAN总线相连，电阻起一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击，总线CANH和CANL与地之间并联了两个30P的小电容可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。在两根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管，当CAN总线有较高的负电压时，通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用，82C250的Rs脚上接有一个斜率电阻电阻大小可根据总线通讯速度适当调整一般在16K-140K之间。这样，按照上述原理所构成的电路，就可以集成CAN控制器。
在CAN控制器(或CAN接收器，下同)嵌入了预先编制的控制软件程序(属于本领域的常规技术)，负责整个硬件系统的初始化、数据的采集、初步处理、数据的传输等。本控制软件程序中可采用非破坏性的总线仲裁技术，多点同时发送信息时，按优先级顺序通信，节省总线冲突仲裁时间，避免网络瘫痪。
本实施例将上述CAN控制器(或CAN接收器，下同)以及对应的设备在硬件上相连接、加上控制中心的计算机以及控制器所嵌入的软件程序，就可以实现对煤矿井下瓦斯监测、人员定位、预警功能，从而形成一个智能化的煤矿安全监测系统。
本实施例中总线初步通信距离为10Km，完全能够保证信号准确传输到控制中心。当距离超过10Km，可以采用网桥作缓冲。

Claims (6)

1、一种基于控制局域网络技术的煤矿安全监测系统，其特征在于，该系统包括设置在井上的监测中心设备和设置在井下工作区域的多个井下数据监测单元及多个井下人员定位单元，所述各井上、井下设备均连接在CAN总线上形成一个监测系统。
2、如权利要求1所述的基于控制局域网络技术的煤矿安全监测系统，其特征在于，所述井上的监测中心设备核心设备为一台嵌有预先编制的处理控制软件程序的计算机及辅助设备。
3、如权利要求1所述的基于控制局域网络技术的煤矿安全监测系统，其特征在于，所述每个井下数据监测单元包括一台CAN控制器，该CAN控制器一端分别与该控制器相连的井下设备相连，另一端与CAN总线相连。
4、如权利要求1所述的基于控制局域网络技术的煤矿安全监测系统，其特征在于，所述井下人员定位单元包括佩带在井下人员头上的具有无线发射器的感应矿灯和设置在井下工作区域的多个具有无线接收器的CAN接收器，每个CAN接收器均与CAN总线相连。
5、如权利要求3所述的基于控制局域网络技术的煤矿安全监测系统，其特征在于，所述的井下设备包括瓦斯探测器、排风设备、排水设备、声光报警设备。
6、如权利要求3或4所述的基于控制局域网络技术的煤矿安全监测系统，其特征在于，所述的CAN控制器或CAN接收器由微控制器AT90S8515、通信控制器SJA1000、总线收发器82C250、高速光电耦合器6N137组成；其连接关系为：所述通信控制器SJA1000的AD0-AD7端口连接到微控制器AT90S8515的PC端口， CS端口连接到AT90S8515的PD4端口，SJA1000的 RD端口、 WR端口、ALE端口分别与AT90S8515的对应引脚相连，通信控制器SJA1000的INT端口连到微控制器AT90S8515的INT0端口上，SJA1000的TX0端口和RX0端口通过高速光耦6N137与总线收发器82C250的TXD端口和RXD端口相连；总线收发器82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个电阻与CAN总线相连，总线CANH和CANL在两根CAN总线与地之间并联了两个电容；两根CAN总线接入端与地之间分别反接一个保护二极管，82C250的Rs脚上接有一个斜率电阻。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102140929A (zh) * 2010-12-31 2011-08-03 华北水利水电学院 一种煤矿安全生产巡检系统
CN102170458A (zh) * 2010-12-08 2011-08-31 河南省煤层气开发利用有限公司 煤矿安全监测巡检管理系统

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