瓦斯抽放泵房监控分站的设计与实现.pdf

2 0 0 5 年6月 矿 业安 全 与环保 第3 2 卷增刊 瓦斯抽放泵房监控分站的设计及实现 林雪峰 煤 炭科 学研 究总院重 庆分院 ， 重庆 4 0 0 0 3 7 摘要 介绍瓦斯抽放泵房监控分站的主要功能， 设计要点， 在总结以往瓦斯抽放分站设计的基础上， 给出了自行研 制的 瓦斯抽放 分站原理 以及具体 实现的过程 。 关键词 瓦斯抽放； 监控分站； 单片机； 点阵 中田分 类号 T D 7 6 文献标 识码 C 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 3 2 0 0 5 J S O一0 0 2 3 0 3 随着矿井安全生产的深化和能源综合利用技术的提高， 瓦斯抽放监测已经被列为我国的强制执行的法规。虽然许 多煤矿抽放泵站也已经安装了瓦斯抽放监控系统， 其中绝大 部分监控系统分站都是借用矿井环境监测 系统分站作为数 据采集分站， 其安全、 可靠性在矿井环境监测中已经得到证 实 ， 但 是没 有考 虑到 抽放 监控 系统 的特 殊性 ， 不 太适 应抽 放 监控系统发展的需要， 为此结合实践， 给出了设计的抽放监 控分 站 。 1 瓦斯抽放泵房监控分站完成 的功能 1 ． 1 传 统环境 监控分站作 为抽放监控分 站的局 限性 传统环境监控分站工作原理 标准信号通过输入通道进 入分站 ， 通道可以定义成相应的物理量 ， 单片机采集各通道 的数据， 经过处理后 ， 采用数码管 ， 以简单符号的形式巡 回显 示各种参数值， 然后传输给上位机 ， 这样对于现场工作人员 来说 ， 需要记住每个通道定义的物理量， 不是很直观， 不能对 流量进行累积 ， 不能进行调节控制， 采集通道少， 所采集的物 理量少 ， 通讯方式固定 一般以 R S 4 8 5方式 ， 使得 以环境监 控分站 作为抽放 监 控 系统分 站 的系 统越 来越 不 适 应抽 放监 控 的需要 。 1 ． 2 瓦斯抽放 泵房监控分 站的特点 1 ． 2． 1 显示方式 改变 分站采 用点阵显示 加数码管 显示 的方式 ， 显示 整 个监控 内容 ， 分站采用高亮 L E D点阵显示每个通道定义 的物理量 如温度、 压力、 浓度 、 设备开停状态等 和相应的计量单位 如℃， k P a ， ％等 ， 而数码管显示物理量对应的参数值， 相对 于单一的数码管显示， 显然直观多了。L E D点阵显示亮度 高 ， 寿命长， 不受温、 湿度影响。 1 ． 2． 2用户操作采 用红 外遥控 方式 采用红外遥控方式对分站进行操作， 实现操作人员对分 站进行非接触操作， 相对于原先的按键式操作更人性化， 同 时使得分站箱实现隔爆要求更合理 ， 操作时用户只需通过遥 控器发送控制信号给分站， 对分站运行参数进行初始化。 收 稿 日期 ． 2 0 0 4 1 21 6 作者简介 林暑峰 1 9 7 1 一 。 男， 四川威远人， 工程师， 1 9 9 8 年毕业于燕山大学电气工程学院检测技术及仪器专业， 工学 学士， 主要从事瓦斯抽放监测及煤矿安全仪表的研 究工作。 1 ． 2 ． 3 分站具有管理抽放泵房设备电源的功能 当监控系统需要对泵房的机电设备电源进行管理时， 分 站能实现电源管理功能， 当发生监测参数超限时， 采用声光 报警方式提醒操作人员采取相应的措施； 当情况进一步恶 化， 达到断电条件 ， 分站能切断所管理的设备的电源， 比如所 监测的抽放泵轴温过高或水环式真空泵水流太小等 因素都 可能引起抽放 泵 烧坏 ， 因此 这 时要 断掉 抽放 泵 电源 ， 以免 引 起不必要 的经济损失 。 1 ． 2 ． 4分站输入通 道 分站可同时管理模拟量传感器 2 4 路， 开关量 4路 一般 环境监测分站 只能监测 8个物理量 ， 还可以通过串行通讯 接口方式接收传感器传来的数字信号 分站可以同时管理 2 个智能通讯传感器如 K G D 9 5 0 1 ， 这样在管理相同传感器数 量的系统中， 可有效减少分站的数量， 比如采用的 K G D 9 5 0 1 瓦斯抽放多参数传感器， 可以同时监测 4 个物理量， 假如采 用通讯方式， 则只需要 1 根 3芯通讯线， 假如采用模拟量信 号 ， 则 需要 至少 占用 4个模 拟量输入通道 。 1 ． 2 ． 5 分站运行参数的初始化 分站初始化参数设置灵活， 有两种方式对分站运行参数 进行初始化 若对于小系统， 没有计算机， 可以采用遥控器手 动设置； 若有计算机的系统， 可以通过计算机下发数据初始 化分站， 这样可以保持计算机与分站数据的一致性 ， 避免 出 错 。 1 ． 2 ． 6 分站 的调控功 能 分站可以输出两路模拟量信号， 可以根据需要 ， 实时控 制执行机构工作 如阀门的开度等 。 1 ． 2 ． 7 分站 的通信 方式比较灵 活 分站对外输出电流环信号， 可以接口多种远距离通讯方 式 ， 如 R S 4 8 5 ， 载 波通讯等 ， 对 于地面抽放监 控系统 ， 一 般选 用 载波通信方式， 可以借助 已有的电话线网络， 与上位机传送 数据 ， 有效地减少布线费用和屏蔽线成本 一般分站距上位 机距离有几公里 。 2 瓦斯抽放泵房监控分站原理 2 ． 1 分 站设计思 想 为完成上述 功能 ， 考 虑到 L E D点 阵 驱动 的 复杂 性 、 采 样 控制的实时性以及通讯的实时性要求 ， 该分站采用三单片机 系统 ， 即整个分站由三个单片机系统组成， 见图 1 ， 各单片机 系统完成各 自的独立任务 ， 通过合理的数据交换， 又将三单 2 3 维普资讯 2 0 0 5 年6月 矿 业安 全 与环保 第3 2 卷增刊 片机 有机 组合 成 一个 整体 ， 这 样 既减轻 了单 片机 的负荷 ， 又 充分 利用 了廉 价的单 片机 软硬件 资源 ， 采样 控制单 片机 和显 示驱 动单片机 通过 双 口 R A M交 换数 据 ， 而 通 讯 控 制单 片机 则通过 口线握手方式获取处理后的数据。 显 采 通 示 样 ／， 1 ． 卜、 讯 驱 控 ＼n ／ 控 动 制 制 亘 茔 亚 片 片 片 机 ／ 机 机 系 ＼ n／ 系 系 统 统 统 图 1 单片机系统结构图 采样控制单片机主要完成采样和控制功能 采集传感器 传来的频率信号 ， 开关量信号以及通过串行接 口传来的数字 信号 ， 同时通过量化处理， 还原传感器采得物理量的真实值， 然后判断传感器状态 ， 以及所采集信号的状态， 发出控制信 号， 同时将数据存储到双口R A M中， 以备显示驱动单 片机和 通讯控 制单片机调用 ， 同时及时响应通讯单 片机传来 的 童 I 誉 I ’ l 弓 l 莹 l 訇 到引 吾哥 至 L ED ODI D 2D 3 D 4 D5 D 7 I EL ED O DI D 2 D 3 D 51 6 D 7 I 7 4 HC 3 7 3 I I 7 4 H C 3 7 3 l Q I’ Q l Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 Q 7 I l l Q l Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 7 I 1 61 6 点 阵 l l 列扫描 l 萤 行 扫 描 Q 0 Ql Q 2 Q 3 Q 4 Q5 Q 6 Q 7 7 4 H C3 73 Ql Q 2Q 3 Q4 Q 5 Q7 7 4 H C3 7 3 D B W R 命令 。 显示驱动单 片机 主要 完成 功 能 从 双 口 R A M 中读 取 由 采样 控制单片机 实 时采样 的 数据 ， 送 到 L E D点 阵显 示 ， 因 为 扫描点阵开销比较大， 选用专用逻辑芯片价格比较昂贵 ， 且 一 般需要 购买 昂贵 的开发 软 件 ， 在权 衡 性价 比的基础 上 ， 采 用单 片机 和逻辑 电路结合 的方 案驱动点 阵显示 ， 以减少产 品 成本 ， 汉 字以 1 61 6点阵显示 ， 由 6个 1 6 1 6点 阵显 示通道 名称 ， 两个 1 6 1 6点 阵显示 通 道所监 测物 理量 的单 位 ， 四位 数码管显示参数值 ， 这样 ， 整个通道的监测值便一目了然。 通讯控制单 片机 主要 功能 实 时接 收上位 机 的 呼叫 ， 当 判断到上位机呼叫 自己时， 应及时作出反应， 同时在硬件结 构上， 应该能外接多种通讯接口， 以保证系统的兼容性， 方便 挂接到其他 系统上， 因此采用电流环方式与外部通讯模块 连接 。 2 ． 2 分站具体 实现原 理 三个单 片机有 机组 合 ， 既单 独完成 各 自的 功能 ， 又相 互 交换数据 ， 形成一个完整的统一体。 2 ． 2 ． 1 分站显 示模块 的驱动 显示模块主要由单片机加逻辑电路完成， 见 图2分站显 示驱动 原理图 。 PO ． O PO ． 1 P0 ． 2 P0 ． 3 P0 ． 4 P0 ． 5 P 0． 6 P0 ． 7 P1 ． O PI ． 1 P1 ．3 P1 ．4 P1 ．5 P1 ． 6 P1 ． 7 8 9 C5 5 To 7 4 H C2 3 8 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y7 G2 V 7 4 H C2 3 8 塞 一 G 6鱼2 7 G7』 VC C CS 1 YO A YI B Y2 C Y3 Y7 B V 3 RJ 已 SE V 图 2 分站显 示驱动原理 图 整 个 显 示 驱 动 电 路 主 要 由 单 片 机 8 9 C 5 5 、 锁 存 器 7 4 H C 3 7 3以及 译码 器 7 4 H c 2 3 8组 成 ， 由于需 要驱 动 8个 1 6 l 6 点 阵 ， 列 扫描需要 l 6片 7 4 H C 3 7 3锁存器 ， 行 扫描 需 要 2片 7 4 H C 3 7 3 ， 而 4个 7 L E D段 个数码 管需 要 4个 7 4 HC ．3 7 3 ， 因此 选用 3片译码器 7 4 H C 2 3 8来管理这 2 2片 7 4 H C 3 7 3 ， 当数据在 总线上时 7 4 H C 3 7 3 实现透明传送 ， 由7 4 H C 2 3 8产生的镇存信 2 4 凰K E Y II HP 4 CI C2 G N【 TC9 1 4 9 X2 5 0 4 5 声光报警 VCC VCC 害 VCC ’ i 亏 红 外 接 收 管 号变低后 ， 数据被锁存到 7 4 H C 3 7 3输出端， 这样通过 l 6个镇 存脉冲， 实现 了整个列扫描 ； 整个点阵的 l 6行扫描由下面两 个 7 4 H C 3 7 3完成 ， 每次只能扫描一行； 给点阵传送数据的顺 序是 首先传送每一行的数据 ， 然后打开这一行显示， 延时一 段 时间后 ， 再 扫 描下 一行 。为 保证 显 示不 出现 闪 烁 ， 单 片机 必须在 2 o眦 内完成 l 6行扫描 ， 由于汉字 占用空间大 ， 每个 ～ 眦一{3 口QQQQQ0 n 卜 n I _ I 寸 卜 叭 陇 叭 l占 陇 旺 一 维普资讯 2 0 0 5 耳6月 矿 业安全 与环保 第3 2 卷增刊 汉字 占用空间 3 2字节， 因此， 不可能把所有的汉字都包括进 去 ， 因此根 据 需要 选取 与抽 放 监控 相关 的汉 字 ， 建 立 自己 的 字库。对于数码管的显示， 由图 2可知， 采用的静态驱动方 式， 因此， 需要协调点阵显示与数码管显示的一致性。芯片 T C 9 1 4 9为红外解码器， 用于对接收红外接收管传来 的信号进 行解码， 分辨出操作键值， 通过 P 1口传送给单片机 ； X 2 5 0 4 5 作为 看 门狗和 非易 失 性存储 器 ， 保 证 系统 受到 干扰 后 ， 能 自 频率信号 频率信号 频率 信号 趣 ● ● ● V 开关 量 通 ● ● ● U MC1 4 5 8 4 t VCC 昌 ； s 盗 罱 乏 警 乏 乏 望 叫 蓉 MC1 4 5 8 4 8 2 5 3 ； L K1 DD D2 D3 D4 D5 L I 2 D6 D7 CS RD Ao A1 DB W l Z P0 ．0 P ． 1 P 0．2 P0 ． 3 PO ． 4 PO ． 5 PO ． 6 P O． 7 P 2． P 2． 1 P 2．2 P 2．3 P 2．4 P 2．5 P 2．6 P 2．7 ALE W 艮 趸D 动恢复 ， 同时所带 的 E E P R O M可 以存储 初始 化数据 和一些 运 行时的重要参数 ， 保证分站掉电后 ， 初始化数据长久保存 ， 下 次上 电后能正常运行 ， 显示单片机与采样单片机通过双 口 R A M实现握手 ， 在公有 R A M中存取握手协议 ， 通知对方应进 行 相应 的操 作。 2 ． 2 ． 2 分站采样通 讯模块 的驱动 分 站采 样通讯 控制原理 图见图 3 。 RX D To 8 9 C5 2 D 1 QO 2 Q1 3 Q2 4 Q3 5 Q4 7 6 Q 7 4 HC2 4 5 M C1 4 5 1 5 7 4 HC3 7 3 图 3 分站采样通讯控制原理图 为保证分站内部电路不受外界传感器信号串人 的干扰， 采用光电耦合器进行隔离 ， 外界传感器传来的频率信号经过 光电耦合器隔离后 ， 再经过 M C 1 4 5 8 4整形 主要是去除尖峰 干扰 ， 保证采样数据可靠 ， 然后信号传送给计数器 8 2 5 3 计数 采样， 供单片机定时读取 ， 整个 系统由于需要接收 2 4路模拟 两信号 ， 因此需要 8 组相同的采样电路 见图 3 ； 开关量信号 经过光电隔离后， 传送给 7 4 H C 2 4 5 ， 供单片机读取 ； 整个采样 单片机系统外围芯片由一片 M C 1 4 5 1 5四十六译码器产 生片选信号来管理 ， 因此， 单片机对外围芯片的操作分两步 进行 先选 中芯片， 然后再进行读写操作； 同时采样还包括采 样通过串行接 口采样传感器 K G D 9 5 0 1 传来的数字信号， 接 线采用便宜电流环的方式来传送数据， 可以使传输距离得到 一 定的提高 ， 采样单片机 8 9 C 5 2将采样 的数据量化 ， 然后存 储到双口 i mT o o 中， 供显示和通讯调用。 通讯单片机通过 电流环 的方式与外部载波通讯模块连 P1 ．0 P1 ． 1 TXD P1 ．2 ‘ P1 ．3 P1 ．4 8 9 C5 2 P1 ．5 P1 ． P1 ． RXD I N T0 I NT1 ， 、 V VCC VCC VeC芎 I栽 波 空 制 I 模 控 传毒嚣 L L L 垂 垂 垂 垂 垂 垂 垂 垂 直 墓 目 星 g g 8 苫 誉 昌 g 肇 I DT7 O O 7 接， 从其中获取上位机传来的命令或数据 ， 在软件上， 采用串 行中断的方式接收上位机传来的命令和数据 ， 然后通知采样 单片机以获取数据， 单片机通过 P 1口、 中断控制线 肌 O 、 I N T 1 和采样单片机握手交换数据， 当需要交换数据时， 由发 数据方产生中断信号， 然后通过 P 1口并行传输数据 ， 然后回 复上位机 。 3结束语 通过上述设计， 使瓦斯抽放监控分站操作更加人性化， 界面更加友好 ， 维护更加方便 ， 功能更加完善 ， 能够更好地完 成抽放泵站的数据采集和控制功能， 同时在系统的兼容性方 面， 因为分站通讯接口灵活， 因此容易挂接到其他系统上， 目 前已研制完成的分站在现场安装一年多来， 运行 良好 ， 在功 能 ， 可靠性， 稳定性方面都达到了预期 目的。 责任编辑 吕晋英 2 5 O 1 3 4 5 6 7 O 1 M j 董 ～ 塾 接 显 示单 片 机 RRRRRRRRRR阱“ 肿 M M 船 M 一 n 馨 1 l { 一 一 ‘ l【 l 】 一 一 口 ∞u扛 札 {● I ● 1 01234 5 Ⅵ w W ⅥⅥ w Ⅵ 维普资讯