煤矿监测监控分站平台的研究.pdf

1 6 0 童 瞒蕉 舛技 2 0 l6 年 第 2 期 煤矿监测监控分站平台的研究 徐士敏 天地 常州 自动化股份有限公司，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘要通过提取 目前市场上在 用的煤矿各 类监 测监控 分站公 共资源，提 出了一种分站平台的详细设计方案 ，该分站平 台 具备丰富的硬件接1 2 “ 资源，能够解决目 前煤矿 自动化市场中分站种类繁多，使用要求高的现状，能够提高技术的复用率， 降低 煤矿企业的生产成本及应用成本。 关键 词分站平 台 最小 系统 S DR AM NA NDF L AS H 中图分类号T P 3 0 3 文献标识码B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ．2 0 1 6 ．0 2 ．0 6 9 The r e s e ar c h pl a t f or m of m i n e mon i t o r i n g s ubs t a t i on Xu S h i ． mi n C h a n g z h o u L i mi t e d b y S h a r e L t d ， J i a n g s u C h a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 Ab s t r a c t T h e e x t r a c t i o n o f p u b l i c r e s o u r c e s c u r r e n t l y o n t h e ma r k e t i n t h e c o a l mi n e m o n i t o r i n g s u b s t a t i o n u s e ， p u t f o r wa r d t h e d e t a i l e d d e s i g n s c h e m e o f a s t a t i o n p l a t f o r m ， t h e s t a t i o n p l a t f o r m h a s a b u n d a n t h a r d wa r e i n t e r f a c e r e s o u r c e s ， c a n s o l v e t h e v a rio u s s u b s t a t i o n o f c o a l mi n e a u t o ma t i o n ma r k e t i n t h e c a t e g o r y , t h e c u r r e n t u s e o f h i g h t e c h n o l o g y , a n d i mp r o v e t h e r e u s e r a t e ， r e d u c e t h e c o a l mi n e e n t e r p r i s e ’ S p r o d u c t i o n c o s t a n d a p p l i c a t i o n c o s t ． K e ywor ds s ub s t a t i on pl a t f o r m mi ni mum s y s t e m S DRA M NANDFLASH 经过大量的市场调研 ，目前煤矿生产中，应用 分站种类包括安全监控系统分站、人员定位系统 分 站 、瓦斯 抽放系统 分站 、胶轮 车运输 系统 分站 、 电力监测分站、矿压监测分站等等。分站种类繁多 导致 煤矿 自动 化 市场 出现 如下 现状 1 对煤 矿 自动化配套设备生产企业的技术水平 、人才结构、 生产成本等要求较高； 2 对煤矿生产企业的安 装和使用 ，提出了较高的要求 ，每个系统的使用均 需配备较专业的维护人员。为了改变 目前煤矿安全 监控生产和使用现状 ，降低煤矿 自动化配套设备生 产企业的生产成本 ，提高产品的可靠性，同时为了 提高煤矿企业生产效率，降低对产品使用的专业化 需求 ，分站平台将成为分站产品发展的一种趋势， 以分站平台为基础的分站产品将是煤矿配套产品生 产和使用企业未来发展的新需要 。 本文对分站平台的研究，是根据天地 常州 自动化股份有限公司所生产的各监测监控分站特点 归纳总结 同时参考国内主流监控系统厂家分站的 特点 形成统一需求架构，为各个系统中分站共性 的部分搭建一个硬件平台，该平台包含丰富的硬件 收稿 日期2 0 1 5 一l l O 5 作者简介徐 士敏 1 9 8 4 一，男 ，山 东昌乐人 ，工程 师，硕 士 现 主要从 事煤矿 安全监控 系统的研 究。 资源，能够满足以上所涉分站的基本功能特点，并 在此硬件平台的基础上开发形成一系列组件式软件 驱动 。 1 硬件组成模块 分站平台作为分站的一个基本形态，具备分站 基本的功能，能够采集各频率型、开关量型、总线 型、射频型传感器的信号 ，并通过 R S 4 8 5总线、 C A N总线或网络接 口将这些参数上传至上位机，同 时分站能够通过总线接收上位机的配置命令 ，并按 照该配置命令及采集的传感器数据执行控制逻辑 ， 实现井下被控设备的断电功能。分站平台具备丰富 的硬件功能接口资源 ，主要包括核心板 最小系 统 、 频率／ 开关量采集 、 控制输出、 无线射频通信、 人机接口、R S 4 8 5 通信 、C A N通信 、以太网通信 、 电源等部分。分站平台硬件组成框图如图 1 所示。 2 硬件电路详细设计 2 ． 1 电 源设 计 设计三路独立的电源输入，其 中两路不做任何 电源转换 ，直接用于频率接 口和开关量接 口的对外 输出，一路用于分站平台内部供 电使用。将直流输 入电源 1 2 ～ 2 4 ． 5 V转换成一路 D C 5 V，两路 DC 2 0 1 6年第 2期 童 堪蕉 舛技 1 6 1 3 ． 3 V，六路相互隔离的 DC 5 V。电源输入前端 串 人二极管实现防反接，端 口加 T VS 、共模线 圈等 E MC保护器件提高抗浪涌、群脉冲能力。内部电源 设计原理框图如图 2所示。 期 率 I 频 率 采 I 频 率 采 I I 控 制 输 I 控 制 转 I 控 制 输 I 射 频 模 块 l 采 集1 I 集 ． ． ． ． ． 1 集 8 ll出 1 l 出 ． ． ． ． ．I 出 8 一 驱动板 J一 l 频率采集、控制输出电路 哥l T 粕I L_ 1 主控芯片 最小系统 核心板 网口1 l R S 4 8 5 1 l R S 4 8 5 2 l R S 4 8 5 - 3 l R S 4 8 5 - 4 I C A N - 1 l C A N - 2 图 1 分站平 台硬件组成框 图 图 2 内部 电 源设 计 原理 框 图 2 ． 2 频率量和开关量输入端 口设计 设计 8 路频率量采集 和 8 路开关量采集模块 ， 数据采集模块完成了频率信号 、开关量信号的信号 隔离、转换及整形功能。输入端 口采用 T Vs 保护器 件，提高抗浪涌和群脉冲能力，采用信号电流驱动 光耦隔离，光耦后端采用施密特触发器对频率信号 整形。频率量信号采集原理框图如图 3所示。 图 3 频率量信号采 集原理框 图 2 - 3 开 关量输 出端 口设 计 设计八路开光量输出模块 ，将八个数字电平信 号，通过隔离 、驱动电路 ，完成八路控制信号输出。 输出端 口采用 T VS保护器件，提高抗浪涌和群脉冲 能力。开关量输出端口设计原理框图如图4所示。 隔 离 ㈣ H驱 护 隔 离 桃 H驱 护 隔 离 蝴H驱 护 隔 离 蝴H驱 护 开关量l 输出1 l 溢 I 要 咖1 丰 K ] l 襄 圉 图 4 开 关 量 输 出端 口设 计 原 理 框 图 2 ． 4 R S 4 8 5总线接 口设 计 完 成 四路独 立 的 R S 4 8 5信 号通 信，每一 路 R S 4 8 5 信号互相隔离。输入端口采用 T V s 、共模线 圈等保护器件，提高抗浪涌和群脉冲能力。R S 4 8 5 采用 U AR T加 R S 4 8 5接口芯片方式实现，R S 4 8 5 之 间的隔离通过 UA R T与 R S 4 8 5接口芯片之间增加光 耦隔离方式实现。R S 4 8 5总线接口设计原理框图如 图 5 所示 。 图 5 RS 4 8 5总 线接 口设 计 原 理 框 图 2 ． 5 C AN 总线接 口设 计 完成 两路独 立 的 C A N信 号通信 『2 】 ，每一路 C A N信号互相隔离，其对外端口具有抗浪涌、群脉 冲能力。C A N模块采用 C A N接 口加转换接口芯片 方式实现 ，C A N模块的隔离通过 C A N接 口与 C A N 接 口芯片之间的光耦隔离实现。C A N总线接口设计 原理框 图如 图 6 所示 。 图 6 CAN 总 线接 口设 计 原理 框 图 2 ． 6 网络 交换接 口设 计 完成一路独立的网络信号输出通信。以太网电 信号经过电口、网络变压器到达网络信号驱动器， 最终 由主控芯片的网络接 口进行数据处理。网络交 换接 口设计原理框图如图 7 所示。 一 鞘喇女 ， 啦璀 ， 掣鞘姆 一 去丽． 篱 射 一射 一 籼 籼 艚 源 潭 n ～ ～ 一 1 6 2 瞒蒺 斜技 2 0 16 年 第 2 期 3 3 V 电源2 3 ． 3 V电源1 以太 f 网电 一 口电 网络变压器 口 图 7 网络 交换 接 口设 计 原理 框 图 2 ． 7 人 机 交互模 块 设计 人机接 口 _ 3 主要包括 液晶显示 、按键 采集 、红 外遥控采集、L E D指示功能模块。液晶显示采用 单色 1 2 8 6 4点阵液晶或 3 ． 5寸彩屏 ，根据不同的 要求进行不同的配置，硬件接 口兼容。设计 1 3个 L E D指示灯 ，用于 四路 R S 4 8和两路 C A N总线通 信指示，1 个红色 L E D用于电源指示。红外接收采 用 H 3 8 V3 V芯片，按键采用 6 维薄膜按键。人机交 互模块设计原理框图如图 8 所示。 5 V／ 3 ．3 V电源 图 8人 机 交互 模 块 设 计 原 理 框 图 2 ． 8 最 小 系统设 计 最小系统 【4 采用单独 的电源供 电设计 ，外部 输 入 5 V，通过滤 波 、稳压 、L DO处 理后得 到 3 ． 3 V 数 字 电 源，为 最小 系 统供 电。设计 3 2 MB y t e的 S D R A M存储空间和 1 2 8 MB y t e 的 Na n d F l a s h存储空 间，同时具备一个 3 2 K B y t e的铁 电存储器 ，实现数 据存储 、看门狗、实时时钟的功能。最小系统对外 提供丰富的接 口资源，包括液晶接口、网络接口、 用于频率 、 开关量 、 控制输出及信号指示的 I O接 口。 最小系统设计原理框图如图 9 所示。 3 结论 图 9 最小 系统设 计原 理框 图 针对 目前国内煤矿安全监控分站存在种类多 、 应用要求高的现状 ，提出了分站平台的设计思路， 并通过调研 目前市场上在用的各类安全监控分站， 提取其公共资源，设计完成 了一款硬件资源丰富的 分站平台。分站平台的形成，使各系统分站开发者 或使用者根据各 自分站需求，进行功能裁剪或特色 设计，可在最短的时间内，以最小的成本形成各 自 特色功能分站 ，提高技术的复用率 ，降低了生产及 应用成本 。 【 参考文献 】 [ 1 ] 王启峰 ， 祝 国源 ， 孙 小 进 ． 基 于F P GA的煤 矿 安 全 监 控 系 统 监 控 分 站 的 设 计 [ J ] ．工矿 自动 化 ． 2 0 1 0 1 0 2 9 - 3 1 ． [ 2] 赵立厂，汪丛笑 ． 基于AR M 的新型矿用监控分站 [ J 】 工矿 自动化 ，2 0 0 7 6 6 6 ． 6 7 ． [ 3] 付 吉奎 ， 孙彦景 ， 钱建生 ． 基于 C ／ OS ．I I智能 监控分站 节点 的设计 [ J ] ． 计算机 工程 与设计 ， 2 0 1 0 7 1 4 5 5 - 1 4 5 7 ． [ 4] 徐士敏 ． 煤矿智能安全监控系统的研究 【 J ] ． 电子世 界 ． 2 0 1 3 2 0 9 7 9 8 ． 上接第 1 5 9页 4 结语 平煤股份八矿通过建设、改造和集成 ，节省了 投资 ，最大限度地利用了现有通信系统的资源，实 现了 “ 有线电话网、无线电话网、扩播电话网、扩 音广播网、人员定位网”五网合一，系统利用先进 的技术 ，基于程控集成平台，实现了煤矿通信系统 的扩展和完善，为矿井的安全高效生产提供了有力 的保障。