煤礦監(jiān)控系統(tǒng)需求分析

1、煤礦監(jiān)控系統(tǒng)需求分析及解決方案學(xué)號：姓名： 班級： 教師： 目錄摘要- 2 -第一章 概述- 2 -1.1背景- 2 -1.2煤礦監(jiān)測存在的問題- 3 -第二章 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計- 4 -2.1方案解決的問題- 4 -2.2方案可行性- 5 -2.3監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案- 5 -2.3.1監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)- 5 -2.3.2監(jiān)控單元微控制器的設(shè)計- 7 -2.3.3監(jiān)控單元與遠(yuǎn)程計算機通信方式的設(shè)計- 8 -2.3.4監(jiān)控單元與現(xiàn)場設(shè)備間通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計- 8 -2.4監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)- 9 -第三章 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計和實現(xiàn)- 11 -3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計- 11

2、-3.1.1 通信模塊的設(shè)計- 11 -3.1.2 監(jiān)控單元 CAN 總線設(shè)計- 15 -3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計- 16 -3.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計思想- 16 -3.2.2 監(jiān)控單元軟件的設(shè)計- 17 -3.3本章總結(jié)- 22 -參考文獻(xiàn)- 24 -摘要隨著網(wǎng)絡(luò)的日益普及，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)在社會各行各業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。我國煤礦使用的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)對改善煤礦安全生產(chǎn)狀況發(fā)揮了積極的作用，但隨著系統(tǒng)的推廣使用和擴(kuò)展，現(xiàn)有的系統(tǒng)已經(jīng)暴露出了技術(shù)上的種種不足。組建一個技術(shù)先進(jìn)的煤礦通訊網(wǎng)絡(luò)，這已經(jīng)是煤礦行業(yè)發(fā)展的大趨勢。本文闡述了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析以及解決方案的可行

3、性。關(guān)鍵詞：工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、需求分析、解決方案、煤礦監(jiān)控系統(tǒng)第一章 概述1.1背景隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，能源需求增長加速，煤炭產(chǎn)量也迅速增長。但同時由于煤礦井下作業(yè)遠(yuǎn)離地面，地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣，井下監(jiān)控設(shè)備落后等原因，我國煤礦安全生產(chǎn)形勢嚴(yán)峻，全國煤礦事故死亡人數(shù)居高不下，百萬頓死亡率大大高于世界主要產(chǎn)煤國家平均水平，嚴(yán)重影響了煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和社會穩(wěn)定。煤礦具有生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、大型機電設(shè)備多、環(huán)境條件惡劣等特點，容易出現(xiàn)突發(fā)性事故。為了確保煤礦安全生產(chǎn)、提高勞動效率、節(jié)約成本，監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。近年來，國家對煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和為了企業(yè)自

4、身發(fā)展的需要，我國各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井陸續(xù)在裝備安全監(jiān)控系統(tǒng)。我國煤礦監(jiān)控領(lǐng)域正使用許多不同的、相互封閉的系統(tǒng)，多數(shù)是簡單的模擬系統(tǒng)，只有部分重點大中型煤礦是以計算機為中心的集散型監(jiān)控系統(tǒng)（DCS），該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集中，與現(xiàn)場設(shè)備的接口仍然是420mA電流表示的模擬量信號和邏輯電平表示的開關(guān)量信號，一對一設(shè)備連接，兼容性差。由于相當(dāng)一部分監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)水平低、功能和擴(kuò)展性能差、現(xiàn)場維修維護(hù)和技術(shù)服務(wù)跟不上等原因，造成相當(dāng)一部分礦井無法繼續(xù)正常使用已裝備的系統(tǒng)。特別是由于老系統(tǒng)服務(wù)年限將至，已無繼續(xù)維修維護(hù)的必要，系統(tǒng)面臨更新改造的機遇。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)

5、的進(jìn)一步發(fā)展，礦井設(shè)備自動化水平不斷提高，現(xiàn)代化的生產(chǎn)和管理在煤礦行業(yè)中不斷推廣。為了滿足現(xiàn)代煤礦安全生產(chǎn)和信息管理的要求，煤礦監(jiān)控系統(tǒng)朝著網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的方向發(fā)展，并從單一的監(jiān)控功能向性能可靠、功能強大的全礦井綜合監(jiān)控信息系統(tǒng)發(fā)展。1.2煤礦監(jiān)控存在的問題我國煤礦使用的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)對改善煤礦安全生產(chǎn)狀況發(fā)揮了積極的作用，但隨著系統(tǒng)的推廣使用和擴(kuò)展，現(xiàn)有的系統(tǒng)已經(jīng)暴露出了技術(shù)上的種種不足。我國大多數(shù)煤礦中，井下現(xiàn)場之間是基于PLC 的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場設(shè)備與控制器采用一對一（一個 I/O 對設(shè)備的一個監(jiān)控點）的I/O 連接方式，它們之間采用模擬信號傳遞，其存在以下問題：1.實時性

6、差：模擬量信號變化緩慢，傳輸速度不快，系統(tǒng)實時性差，對瓦斯及CO2等氣體的監(jiān)測可靠性不高。2.信息集成能力不強：在此系統(tǒng)中，控制器獲取的信息量有限，大量的重要數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)及運行狀況，故障和故障記錄等數(shù)據(jù)難以得到，底層數(shù)據(jù)不全，信息集成能力不強。3.可靠性不易保證：對于大范圍分布式系統(tǒng)，大量的I/O 電纜及縛設(shè)施工不但增加成本，而且降低了系統(tǒng)的可靠性。4.系統(tǒng)不開放、可集成性差：不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差，不易于系統(tǒng)功能擴(kuò)展；現(xiàn)場設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間難以實現(xiàn)信息交換，使自控系統(tǒng)成了“信息孤島”，嚴(yán)重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動化的實現(xiàn)。5.可維護(hù)性不高：由于現(xiàn)

7、場信息不全，現(xiàn)場設(shè)備在線故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面，也很難完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定等參數(shù)化功能， 影響系統(tǒng)的可維護(hù)性。鑒于以上原因，我國煤礦事故頻繁不斷，如瓦斯爆炸、閉氣等，嚴(yán)重危及人的生命安全，使財產(chǎn)遭到重大損失。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)不能在線監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)，及時進(jìn)行故障診斷，提前將故障排除，而是等到設(shè)備癱瘓后才進(jìn)行故障診斷，為此將增加維修的難度，有可能此設(shè)備由于沒有及時搶修而報廢，設(shè)備停止運行會影響整個生產(chǎn)線的工作，降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且大部分事故是由于這些隱患而發(fā)生的，為此我們必須尋找新的解決方案。第二章 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1方案解決的問題針對第一章提出的現(xiàn)有煤礦監(jiān)

8、測系統(tǒng)存在的問題，本設(shè)計方案可以解決以下問題。1.實時性：本系統(tǒng)是基于CAN總線構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)，CAN 總線是一種現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點和多站的通信系統(tǒng)。相對于現(xiàn)有的采用模擬信號的系統(tǒng)，本系統(tǒng)能實現(xiàn)數(shù)字信號傳送，從而可以實現(xiàn)傳輸速度快，系統(tǒng)實時性強，對瓦斯、CO等氣體的監(jiān)測可靠性強。2.信息集成能力：現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。因此能夠獲取大量信息，底層數(shù)據(jù)全面，信息集成能力強。3.可靠性：現(xiàn)有的現(xiàn)場設(shè)備與控制器采用一對一（一個 I/O

9、 對設(shè)備的一個監(jiān)控點）的 I/O 連接方式，當(dāng)使用范圍大時，需要采用大量的I/O電纜。而本系統(tǒng)采用局域網(wǎng)，使得現(xiàn)場設(shè)備與控制器之間的連接很順暢，提高系統(tǒng)的可靠性。4.系統(tǒng)的開放性：現(xiàn)場總線技術(shù)具有開放性和互可操作性與互用性。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。用戶可按自己的需要，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。5.可維護(hù)性：本系統(tǒng)現(xiàn)場信息全，便于進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備在線故障診斷、報警和記錄，也便于完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定等參數(shù)化功能，因此系統(tǒng)的可靠性強。2.2方案可行性本

10、文采用了基于CAN總線構(gòu)成現(xiàn)場控制器局域網(wǎng)與遠(yuǎn)程計算機組成多級網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。以下幾點可以說明方案的可行性。1.工業(yè)自動化系統(tǒng)正向分布化、智能化的實時控制方面發(fā)展，其中通信已成為關(guān)鍵，用戶對統(tǒng)一的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet 等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實現(xiàn)全面的無縫信息集成，并提供一個開放的基礎(chǔ)構(gòu)架。以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域是一個不可忽視的必然發(fā)展趨勢。2.CAN 總線是一種現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點和多站的通信系統(tǒng)，真正把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的

11、運行狀態(tài)在線監(jiān)控，將其診斷數(shù)據(jù)傳給上位機，及時進(jìn)行故障診斷，采取有效措施及時排除，將安全隱患降到最低。3.從成本來看，雖然智能設(shè)備比傳統(tǒng)模擬設(shè)備價格要高，但采用 CAN 總線，省去大量電纜，I/O 模塊及工程安裝費用，從整體來看，整體系統(tǒng)的成本不比傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)高，而且 CAN 總線系統(tǒng)易于后期維護(hù)，易于系統(tǒng)功能擴(kuò)展，穩(wěn)定性好，由此產(chǎn)生的潛在的經(jīng)濟(jì)效益也不容忽視。采用此方案能很好地解決上述問題，同時系統(tǒng)造價也不會太高，因此本方案切實可行。2.3監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案2.3.1監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)方案的選擇是在滿足系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上必須保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定，有利于系統(tǒng)后期的維護(hù)和功能的升級

12、，同時在這個基礎(chǔ)上考慮系統(tǒng)的產(chǎn)品化。產(chǎn)品化要求系統(tǒng)具有較低的硬件成本， 從而降低整個系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品具有較高的性價比。 根據(jù)系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，集中監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)體系主要由通信鏈路、中央集中控制室和監(jiān)控單元三部分組成。整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1 所示。通信鏈路監(jiān)控點1監(jiān)控點n監(jiān)控點2監(jiān)控單元中央集中控制室遠(yuǎn)程計算機報警信息輸出設(shè)備.圖2-1煤礦遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)框圖在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控單元對整個系統(tǒng)來說起著重要的作用，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的主要功能，一方面它完成對現(xiàn)場設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集和實時控制，另一方面，要完成對監(jiān)控點各數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和管理，同時要及時把系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程計算機和接收

13、遠(yuǎn)程計算機發(fā)來的命令。為完成以上功能，監(jiān)控單元必須要有遠(yuǎn)程通信接口和多個監(jiān)控點通信等功能。它由以下幾部分組成：1.CPU 部分：監(jiān)控單元是整個遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測與邏輯控制功能、與上位機的通信功能、與各監(jiān)控點的通信的功能、對數(shù)據(jù)的采集功能以及系統(tǒng)的人機接口功能；2.監(jiān)控模塊與上位機的通信部分：完成監(jiān)控單元與上位機的數(shù)據(jù)傳輸功能，包括系統(tǒng)參數(shù)修改后主動將修改的數(shù)據(jù)上傳給上位機、系統(tǒng)及監(jiān)控點有報警信號產(chǎn)生時主動向上位機傳輸報警信息、響應(yīng)上位機的呼叫將系統(tǒng)目前參數(shù)傳輸給上位機和接收上位機對系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)的修改；3.監(jiān)控單元與各監(jiān)控點的通信部分：完成監(jiān)控單元與各現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸功能，包括

14、監(jiān)控單元對各監(jiān)控點的參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控單元呼叫各監(jiān)控點上傳其參數(shù)、監(jiān)控單元接收各監(jiān)控點傳上來的報警信號；4.監(jiān)控單元的輸入/輸出部分：完成監(jiān)控單元對數(shù)字信號采集，根據(jù)整個系統(tǒng)的工作情況產(chǎn)生正確的控制邏輯，對控制對象實行有效的控制；5.監(jiān)控單元的人機接口部分：完成系統(tǒng)參數(shù)的修改、顯示及系統(tǒng)狀態(tài)的指示。包括液晶顯示部分、按鍵輸入部分和指示燈。2.3.2 監(jiān)控單元微控制器的設(shè)計監(jiān)控單元微控制器的選擇有兩種方案，一種是選擇 MCS196 等單片機，但由于其集成度不高，必須擴(kuò)展大量外設(shè)，如串行通信模塊， 定時器等模塊，這將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而使其穩(wěn)定性大大降低。 同時由于系統(tǒng)需要采集和處理的數(shù)據(jù)較多，必將

15、加重 CPU 的負(fù)擔(dān)，影響 CPU 的其他性能，從而影響整個系統(tǒng)的性能和實時性。另一種方案是采用 SAMSUNG 公司的 S3C44B0X 處理器，由于SAMSUNG公司的S3C44B0X 在總線上采用并行機制和存儲器采用哈佛機構(gòu)等獨特之處，其指令周期大大降低，運行速度大大加快，具有很強的數(shù)據(jù)運算處理能力和控制功能，能保證系統(tǒng)對諸多數(shù)據(jù)實時采集和處理，同時 SAMSUNG 公司的S3C44B0X 微控制器集成度較高，具有異步串行通信接口，可用于系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信，以及定時器，A/D 轉(zhuǎn)換等模塊，提高系統(tǒng)的整體性能和集成度，從而保證系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。因此，在本系統(tǒng)中采用 SAMSUNG 公司的 S

16、3C44B0X 作為監(jiān)控單元的微處理器。圖2-2 S3C44B0X 處理器2.3.3監(jiān)控單元與遠(yuǎn)程計算機通信方式的設(shè)計監(jiān)控單元和遠(yuǎn)程計算機的通信是點對點的通信方式，它們之間數(shù)據(jù)傳輸信道可以采用很多種方式，如電纜、電話線、光纖通道、Internet 網(wǎng)絡(luò)等。在計算機數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域內(nèi)，長期以來使用 RS232 和 CCITTV2.4 的通信標(biāo)準(zhǔn)。盡管它們被廣泛地使用，但卻是一種低數(shù)據(jù)速率和點對點的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，無能力支持更高層次的計算機之間的功能操作。今工業(yè)以太網(wǎng)在很多企業(yè)得到應(yīng)用，采用 Internet 網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通信信道，解決了 RS232 接口實行異步串行通信有諸多弊病，也為以后的

17、系統(tǒng)擴(kuò)充打下了良好的基礎(chǔ)。特別是本文針對煤礦的監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)煤礦發(fā)生突發(fā)性事故（如爆炸）時，RS232 接口異步串行通信的能力不能達(dá)到處理突發(fā)事故的要求。綜合考慮，本文一改以往采用調(diào)制解調(diào)器通過電話線的通信方式，采用 Internet 網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控單元和遠(yuǎn)程計算機。2.3.4監(jiān)控單元與現(xiàn)場設(shè)備間通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計在煤礦遠(yuǎn)程監(jiān)控單元和各個監(jiān)控點之間構(gòu)成一個局域網(wǎng)，在這個局域網(wǎng)中，節(jié)點的數(shù)目是可變的，它們之間的通信方式為一點對多點的通信方式，即各監(jiān)控單元和各監(jiān)控點之間可以相互通信，但各監(jiān)控點之間不可以相互通信。在煤礦遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控單元和各監(jiān)控點之間是一點對多點的通信關(guān)系，由于各監(jiān)控點的數(shù)量是不定的

18、，因此通信局域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用組網(wǎng)方便的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且網(wǎng)絡(luò)中某一個監(jiān)控點發(fā)生故障不會引起整個網(wǎng)絡(luò)和其它節(jié)點之間的通信。由于監(jiān)控單元和監(jiān)控設(shè)備之間的這些特性，它們之間的組網(wǎng)適合于采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下圖所示。 工作站 工作站 工作站 工作站 工作站圖2-3 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線是采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、應(yīng)用于低層次上的一種造價低廉而又能經(jīng)受工業(yè)環(huán)境的通信系統(tǒng)，它采用簡化型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一種開放式實時系統(tǒng)，可以實現(xiàn)與其它開放式系統(tǒng)的連接?，F(xiàn)場總線采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、執(zhí)行協(xié)議直觀、價格低廉等優(yōu)點，同時性能又令人滿意。在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控單元和監(jiān)控點之間的通

19、信系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線將會使系統(tǒng)可以實時采集各監(jiān)控點的數(shù)據(jù)，簡化系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)根據(jù)實際需要減少或擴(kuò)充監(jiān)控點，同時又能夠經(jīng)受住現(xiàn)場的環(huán)境干擾。開放性、分散性與數(shù)字通信是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特點。在這種系統(tǒng)中，各個現(xiàn)場智能設(shè)備分別代表一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)各節(jié)點之間、現(xiàn)場節(jié)點與過程控制管理層之間的信息傳遞與溝通，并實現(xiàn)各種復(fù)雜的自動化控制功能?？刂破骶植烤W(wǎng)是目前較流行的現(xiàn)場總線之一，CAN總線不僅具有現(xiàn)場總線的上述特點，還具有通信速率高、系統(tǒng)配置靈活、工作可靠、性能價格比高等優(yōu)點，因此在煤礦遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中選用CAN總線作為監(jiān)控單元和各監(jiān)控設(shè)備之間的通信局域網(wǎng)絡(luò)。2.4監(jiān)控系統(tǒng)的

20、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)根據(jù)以上對監(jiān)控系統(tǒng)方案和各組成部分的選擇，監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用兩級網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行組網(wǎng)。第一級是監(jiān)控單元和各監(jiān)控點的控制局域網(wǎng)絡(luò)。第二級是監(jiān)控模塊和遠(yuǎn)程計算機的通信網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控模塊和監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程計算機之間的數(shù)據(jù)通信采用工業(yè)以太網(wǎng)。遠(yuǎn)程計算機監(jiān)控單元n監(jiān)控單元3監(jiān)控單元2監(jiān)控單元1 .設(shè)備n設(shè)備3設(shè)備2設(shè)備1 圖2-4 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖監(jiān)控系統(tǒng)的第一級網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)控單元和各監(jiān)控點之間的局域網(wǎng)，采用 CAN 現(xiàn)場總線。CAN 總線通信接口中集成了 CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、 數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判斷等項工作

21、。采用 CAN 總線后使得監(jiān)控單元對監(jiān)控點的個數(shù)不受限制，因此網(wǎng)絡(luò)的安裝和擴(kuò)充都非常容易和方便，還可以使不同的監(jiān)控點同時接收到監(jiān)控單元發(fā)送來的相同的數(shù)據(jù)。 CAN 總線通信數(shù)據(jù)段長度最多為 8 個字節(jié)，可以滿足監(jiān)控單元對各個監(jiān)控點的控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求，同時，8 個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。由于 CAN 總線協(xié)議采用 CRC 檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了監(jiān)控單元和各監(jiān)控點之間數(shù)據(jù)通信的可靠性，可以有效防止來自設(shè)備現(xiàn)場的干擾。監(jiān)控系統(tǒng)的第二級網(wǎng)絡(luò)是遠(yuǎn)程計算機和設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)控單元的連接，采用工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)的通信速率從 10Mbps、100M

22、bps 增大到如今的 1000Mbps、10Gbps，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞機率大大下降。其次，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個網(wǎng)段。工業(yè)以太網(wǎng)交換機由于具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞；同時交換機還可對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其它網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。再次，全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上分別同時接收和發(fā)送報文幀，也不會發(fā)生沖突。因此，采用

23、交換式集線器和全雙工通信，可使網(wǎng)絡(luò)上的沖突域不復(fù)存在（全雙工通信），或碰撞機率大大降低（半雙工），因此使工業(yè)以太網(wǎng)通信確定性和實時性大大提高。在監(jiān)控系統(tǒng)的核心是監(jiān)控單元，各個監(jiān)控點的運行參數(shù)和報警信息都通過CAN 總線接入到監(jiān)控單元的主處理器中，由監(jiān)控單元的主處理器進(jìn)行處理后發(fā)送到與中央集中控制室相連接的通信鏈路上，并傳到中央集中控制室。中央控制室的核心處理設(shè)備是遠(yuǎn)程計算機，遠(yuǎn)程計算機的功能是將監(jiān)控單元上傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示，并對報警數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和故障診斷。第三章 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計和實現(xiàn)3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1.1 通信模塊的設(shè)計現(xiàn)有的 CAN 總線到以太網(wǎng)的通信實現(xiàn)方案

24、中,采用較多的是使用一臺連接以太網(wǎng)的計算機,在計算機中安裝一塊內(nèi)置式 CAN 通信板卡;或者通過計算機并行和串行接口外接 CAN 的通信模塊。這種方法有一定局限性,例如,使用計算機體積大,成本高;計算機故障后的重啟速度慢,這可能嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。采用基于 ARM 微處理器的單板機系統(tǒng)建立 CAN-Ethernet 通信模塊,可以很好地解決上述問題,降低系統(tǒng)的成本,提高其性能。CAN-Ethernet 通信模塊連接以太網(wǎng)和CAN 總線的結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示。在以太網(wǎng)和 CAN 總線之間,可以掛接一個通信模塊連接兩種網(wǎng)絡(luò),也可以使用多個通信模塊形成多個通路。對于第二種情況,以太網(wǎng)上的計算機可以

25、通過指定 IP 地址和上層協(xié)議的端口選擇通路。通信模塊遠(yuǎn)程計算機 設(shè)備B設(shè)備A設(shè)備C通信模塊c通信模塊b通信模塊a 以太網(wǎng) 現(xiàn)場總線圖3-1 CAN-Ethernet 通信模塊連接示意圖3.1.1.1通信模塊的硬件設(shè)計 通信模塊的硬件由S3C44B0X 處理器、39VF040 芯片、62LV25616 芯片、MCP2510芯片以及RTL8019as芯片等組成。1.通信模塊的硬件核心采用高性能的 ARM 處理器 S3C44B0X。它是一種精簡指令處理器,可以在32位指令字的ARM模式下和16位指令字的Thumb模式下工作,設(shè)計者可以根據(jù)需要在性能和代碼大小之間進(jìn)行折衷；片內(nèi)有 8KB 的高速靜態(tài)

26、 RAM,既可以作為高速緩存,也可以作為片內(nèi)存儲器使用；片內(nèi)外設(shè)包括異步和同步串行接口、I2C 接口、LCD 控制器及接口、實時時鐘等。ARM 處理器還具有低能耗和高性價比,非常適用于構(gòu)建性能較高的嵌入式系統(tǒng)。圖3-2 S3C44B0X 處理器2.通信模塊使用 2 片 39VF040 芯片,位擴(kuò)展后組成 512KB/16bit 共 1MB 的Flash ROM 作為程序和配置數(shù)據(jù)的存儲空間。圖3-3 39VF040 芯片3.使用 1 片 62LV25616 芯片組成256KB/16bit 共 512KB 的靜態(tài)隨機存儲器。CAN 總線通信控制芯片選用了microchip 的 MCP2510。M

27、CP2510 是一種帶有 SPI 接口的 CAN 控制器，它支持 CAN 技術(shù)規(guī)范 V2.0A/B，并能夠發(fā)送的接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展的信息幀，同時具有接收濾波和信息管理的功能。MCP2510 通過 SI 接口與 MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 5Mbps，MCU 可通過 MCP2510 與 CAN 總線上的其他 MCU 單元通訊。MCP2510 內(nèi)含三個發(fā)送緩沖器，二個接收緩沖器，同時還具有靈活的中斷管理能力，這些特點使得 MCU 對 CAN 總線的操作變得非常簡便。圖3-4 MCP2510芯片4.以太網(wǎng)通信控制芯片采用了臺灣 Realtek 公司的 RTL8019as，它是一種 ISA

28、 接口的 10Mbps以太網(wǎng)卡芯片，內(nèi)部包含了以太網(wǎng)媒體訪問控制和物理層驅(qū)動，并帶有 16kB 的片上緩沖 RAM。圖3-5 RTL8019as芯片3.1.1.2通信模塊的軟件設(shè)計通信模塊和 CAN 總線上的設(shè)備節(jié)點之間直接通過控制器收發(fā) CAN 總線報文進(jìn)行通信,報文中的數(shù)據(jù)格式可以是基于 CAN 總線的上層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,也可以由用戶定義。為了方便與以太網(wǎng)上計算機的通信,CAN-Ethernet 通信模塊在以太網(wǎng)一端使用 UDP 協(xié)議,這樣,計算機上的軟件可以使用操作系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)。每一個CAN-Ethernet通信模塊需要設(shè)定局域網(wǎng)內(nèi)一個唯一的IP地址,通過固定的端口和計算機通信。模塊

29、和計算機之間既可以使用對單點 IP 的通信,也可以在端口發(fā)送廣播報文。在以太網(wǎng)一端,通信模塊接收到 UDP 報文后,將其中的信息組織成 CAN 總線報文發(fā)往 CAN 總線；在 CAN 總線一端,通信模塊接收報文標(biāo)識能夠通過本節(jié)點接收碼和接收掩碼設(shè)置的 CAN 總線報文,并封裝為 UDP報文,轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)上。各節(jié)點 IP 地址、UDP 工作端口和 CAN 報文接收掩碼等設(shè)置在系統(tǒng)初始化時進(jìn)行。3.1.2 監(jiān)控單元 CAN 總線設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的 CAN 總線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線式結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低，并且采用無源抽頭連接，系統(tǒng)可靠性高。CAN 總線控制芯片選取 microc

30、hip 的 MCP2510。MCP2510 采用高速串行 spi 接口與 cpu通信，最高總線速度 5MHz。由于采用串行接口僅僅使用 4 線與 cpu 連接，大大減小了產(chǎn)品的尺寸。CAN 總線連接各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，形成多主機控制器局域網(wǎng)。信息的傳輸協(xié)議采用 CAN 通信協(xié)議，傳輸介質(zhì)采用雙絞線，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在控制器和傳輸介質(zhì)之間采用光電隔離等措施。 煤礦遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的 CAN 總線通信系統(tǒng)的組成模式如圖 3-6 所示。監(jiān)控點2監(jiān)控點1CAN總線控制器監(jiān)控單元 監(jiān)控點n . 圖3-6 CAN 總線組成結(jié)構(gòu)圖3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計3.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計思想遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

31、軟件層次圖如圖 3-7 所示。第一層為面向硬件的底層軟件，在監(jiān)控系統(tǒng)中，所有需要與硬件打交道的功能都在這一層中實現(xiàn)，其它層需要操作硬件也必須通過這一層。第二層中所有的模塊通過調(diào)用第一層的模塊操作硬件，同時該層所有模塊都有相應(yīng)的模塊輸入、輸出接口，供上一層模塊的調(diào)用。第三層的模塊都屏蔽了相關(guān)的硬件，具有硬件無關(guān)性，只是提供輸入和輸出接口，供本層其它功能模塊和其它層模塊的調(diào)用。第四層為面向用戶的外部接口，系統(tǒng)所有的具體功能都在這一層中實現(xiàn)，這一層模塊功能的實現(xiàn)都是在調(diào)用第三層模塊的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。和硬件無關(guān)軟件硬件和硬件相關(guān)軟件面向硬件的底層軟件面向用戶的外部接口 第四層 第三層 第二層 第一層圖3

32、-7 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件層次圖3.2.2 監(jiān)控單元軟件的設(shè)計3.2.2.1監(jiān)控單元主程序設(shè)計在監(jiān)控單元的軟件中，在 C 語言的基礎(chǔ)上，應(yīng)用了軟件的模塊化、層次化的編程思想。在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控單元起著非常重要的作用，一方面它對系統(tǒng)運行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，另一方面它要與現(xiàn)場各監(jiān)控點進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交互，同時它還必須及時與遠(yuǎn)程計算機實行數(shù)據(jù)通信。在監(jiān)控軟件中，所有功能都用模塊來實現(xiàn)，考慮到監(jiān)控模塊的系統(tǒng)資源的充分利用和利用效率，在設(shè)計監(jiān)控單元軟件時，對實時性要求不高或占用系統(tǒng)時間要求較多的模塊功能利用調(diào)用的方式實現(xiàn)，如參數(shù)顯示、串行通信數(shù)據(jù)發(fā)送、CAN 總線數(shù)據(jù)發(fā)送、撥號等功能，在系統(tǒng)需要完成其功能時，

33、調(diào)用相應(yīng)模塊，完成其功能。而對于需要實現(xiàn)的時間不確定或?qū)τ趯崟r性要求較高的功能模塊在中斷中實現(xiàn)，如串行通信數(shù)據(jù)接收、CAN 總線數(shù)據(jù)接收等，系統(tǒng)需要實現(xiàn)該功能時響應(yīng)該中斷模塊，進(jìn)入中斷程序，完成該功能后恢復(fù)現(xiàn)場，開始系統(tǒng)初始化:包括系統(tǒng)工作時鐘、系統(tǒng)中斷向量、液晶顯示器、系統(tǒng) I/O 端口、CAN 總線通信系統(tǒng)等參數(shù)初始化采樣系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)參數(shù)對采樣到的各項參數(shù)與系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行比較判斷返回中斷前的斷點繼續(xù)執(zhí)行原程序。中斷模塊根據(jù)功能的實時性和具體要求的不同，采用不同的中斷級別進(jìn)行中斷響應(yīng)。這樣不僅增強了系統(tǒng)的實時性，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，而且大大節(jié)省了系統(tǒng)資源，對系統(tǒng)以后的維護(hù)和升級都是非常

34、有利的。監(jiān)控單元的軟件流程如圖 38 所示。開始系統(tǒng)初始化采樣系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)參數(shù)對采樣到的各項數(shù)據(jù)參數(shù)與系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行比較判斷發(fā)出相應(yīng)的控制信號，切斷發(fā)生錯誤的來源，同時產(chǎn)生警告信息并調(diào)用傳輸模塊向遠(yuǎn)程計算機傳輸告警信息各項參數(shù)符合要求 NY發(fā)出相應(yīng)控制信號，使系統(tǒng)工作于正常狀態(tài)串行通信緩沖區(qū)非空 N調(diào)用數(shù)據(jù)傳輸模塊 YCAN 通信區(qū)緩沖非空 N 調(diào)用CAN數(shù)據(jù)傳輸模塊 Y采樣系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)參數(shù)3.2.2.2監(jiān)控單元串行通信軟件設(shè)計監(jiān)控單元遠(yuǎn)程通信的主要功能是與遠(yuǎn)程計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交流，包括向遠(yuǎn)程計算機發(fā)送數(shù)據(jù)和從遠(yuǎn)程計算機接收數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)控單元向遠(yuǎn)程計算機發(fā)送數(shù)據(jù)時，監(jiān)控單元是信源，遠(yuǎn)程計算機

35、是信宿， 監(jiān)控單元從遠(yuǎn)程計算機接收數(shù)據(jù)時，監(jiān)控單元是信宿，遠(yuǎn)程計算機是信源，每一次傳送數(shù)據(jù)之前，將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、數(shù)據(jù)長度、 設(shè)備地址碼、傳送數(shù)據(jù)的校驗碼根據(jù)協(xié)議進(jìn)行打包，將打包后數(shù)據(jù)傳送給對方接收機，接收機接收后，根據(jù)協(xié)議對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分解，并根據(jù)校驗碼進(jìn)行校驗。如果校驗碼正確，則將接收的數(shù)據(jù)讀入相關(guān)內(nèi)存，并向發(fā)送方返回接收正確信息，否則，向發(fā)送方返回接收錯誤信息， 要求發(fā)送方重發(fā)該信息。連接次數(shù)大于3次返回調(diào)用函數(shù)傳輸結(jié)束，恢復(fù)現(xiàn)場是結(jié)束符發(fā)送一個字節(jié)對待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理 計算待發(fā)送數(shù)據(jù)的長度校驗碼和總校驗碼數(shù)據(jù)通道保護(hù)現(xiàn)場開始 N連接 Y N Y N Y 圖3-9 通信傳輸模塊流程圖3

36、.2.2.3監(jiān)控單元 CAN 總線通信軟件設(shè)計CAN 總線通信初始化是 CAN 總線通信系統(tǒng)軟件設(shè)計的一項重點， 在 CAN總線通信軟件初始化中必須設(shè)置本節(jié)點的地址描述符和 CAN 總線通信的傳輸位速率等參數(shù)。系統(tǒng)節(jié)點通信的功能主要是將本節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點，以及接收網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng) CAN 通信軟件設(shè)計思想是：將本系統(tǒng)向其它節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)置成函數(shù)，當(dāng)本系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時調(diào)用此函數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到 CAN 總線上；本系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)采用中斷方式，當(dāng) CAN 控制器接收到數(shù)據(jù)后向微控制器發(fā)出中斷響應(yīng)信號，微控制器在中斷程序中將接收到的數(shù)據(jù)讀入。整個系統(tǒng)對 CAN 總線通信軟件管理的流程圖如圖 3-10 所示開始 初始化處理其他控制程序響應(yīng)中斷服務(wù)程序有接收中斷 Y 需要發(fā)送數(shù)據(jù) N N Y調(diào)用發(fā)送函數(shù) 圖 3-10 CAN 總線通信流程圖3.3本章總結(jié)CAN-Ethernet 通信模塊,解決了以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線CA