第１３卷第７期２０１３年３月 科学技术与工程 ＶｏＬ １３ Ｎｏ．７ ＭａＬ ２０１３ １６７１—１８１５（２０１３）０７—１９３０－０６ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＠２０１３ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ． 矿冶技术 基于动态优先晋升总线的矿井积水水位 监控系统设计 黄振中张青 （河南化工职业学院信息工程系，郑州４５００４２） 摘要受到水位传感器技术的限制，目前的矿井积水水位监控系统只能布置在特殊的水仓处，无法对井下的环境进行全面 覆盖。水位采集信息精度较低，反应迟缓，不能及时对危险水位报警。提出基于动态优先级晋升总线技术的矿井积水水位监 控系统设计方法。基于ｕＣＡＮ总线技术连接传感器的信号传输，研制了一种变介质的电容传感器进行水位信号采集，使用 ＬＰＣ２３６８芯片对总先传输进行硬件支撑。实际的测试证明，该系统对能够更加快速准确地对矿井积水水位进行监控报警，具 有很强的实用价值。 关键词矿井积水监控 ＴＤ４２２．１； ｕＣＡＮ总线 动态优先晋升 Ａ 变介质电容传感器 中图法分类号文献标志码煤矿在开采过程中，煤矿井下的涌水与透水是 事故发生的主要原因，对煤矿的安全生产带来了巨 大的危害。矿井的透水事故可能是因为地形处在 河流处，因为地球引力渗透到井下。另外，在煤矿 开采的过程中打通了煤矿端面与地下水层，使地下 水涌进了煤矿的巷道 Ｉ２ 。如果不能及时预测与处 模拟信号，并且系统之间的交互采用电缆进行，大 大增加了系统的成本。模拟信号的传输受到传输 线路的影响较大，系统因为设计原因只能安装在一 些环境较好的位置，影响了对井下的环境的全面 监测 ， 。 针对以上的分析，本文提出一种基于动态优先 级总线晋升技术的煤矿井下水位监控系统。针对 理涌水与透水事故，不但会影响正常的运行生产， 甚至危及到井下工作人员的生命安全。煤矿的井 下排水监控系统是指能够及时监控井下的分水仓 目前井下水位传感器的缺点设计了一种基于变介 质的电容传感器，这种传感器可以工作在一些恶劣 的环境中，传感器标定后具有较高的精度 。设计 了一种基于ｕＣＡＮ总线的积水监控系统与排水方 案，实际系统测试证明，该系统可以在不同的环境 中快速准确地对井下的积水水位进行检测与报警， 系统性能稳定，具有很强的实用价值。 位与水洼的水位高度，将水位的高度传输到监控中 心，在矿井下设立大量的排水泵站：一旦水位超过 预警水位，自动启动水泵将井下积水排出。近些 年，针对煤矿的积水水位监控系统出现了很多优秀 的研究成果与技术，这些技术广泛应用在矿井生产 中，我国的煤矿井下监控系统已经从引进消化吸收 步人自主研发的阶段。但是这些系统主要是基于 １矿井积水水位监控系统方案设计 煤矿的安全生产中，在井下的采掘面可能存在 积水的时候要优先安装排水系统。每一个排水泵 集散控制系统进行设计的，采集的信号主要是一些 河南省高等学校青年骨干教师项目 （２０１１ＧＧＪＳ－２０７）资助 第一作者简介：黄振中（１９７３一），男，硕士研究生，副教授，研究方 都安装了备用排水管，某一个排水管道出现问题 时，保证另一个排水管可以正常使用。一些情况下 还需安装备用泵，在一个出现故障时立即启用备用 泵工作 Ｊ。矿井积水水位监控系统中需要实时对 向：无线通信，无线传感器，信息安全。 ７期 黄振中，等：基于动态优先晋升总线的矿井积水水位监控系统设计 控制中 △ ＣＡＮ—Ｒ￥４８５ ＣＡＮ—Ｒ￥４８５ 转换模块 转换模块 设备层 ＣＡＮ总线 Ｉ Ｊ ＣＡＮ总线 ＣＡＮ总线分支 Ｉ １ ２０￣￣１０煮０Ｈｚ／Ｉ ＲＳ４８５ 堑型 焦堡 Ｉ Ｌ坚 中继 分线器 ＣＡＮ总线 水泵ｌ ｌ新型水位传感器ＩＪ水泵 图１ 矿井积水水位监控原理图 巷道的积水信息进行采集，水位检测的数量点较 新型水位传感器 多，有时会面临一些恶劣的环境。国内的井下使用 传统的水位传感器，这些传感器的测量精度低对矿 井的环境要求较高。本文设计了一种变介质的电 容式传感器，根据水位变化对电容引起的变化量转 变为的电压值对水位进行监控。使用通信模块将 采集的数据发送到ｕＣＡＮ总线上，传输到控制中心， 使用控制算法对水泵的启动停止进行控制。 的数据决定水泵的开停。上位机的监控接受各个 矿井分站的水位数据，重点标注水位预警数据，将 各个状态显示在各个分站的显示屏中，工作人员进 行分析。 ２矿井水位监控系统设计 根据矿井积水水位监控系统的应用条件与原 则，硬件系统的设计主要包括传感器的设计与 ｕＣＡＮ总线的传输硬件设计两个部分。系统的核心 控制器采用的是单片机ＭＳＰ４３０Ｆ１６９主控芯片，总 本矿井积水水位监控系统的主要传输方式是 使用现场总线的传输，因为在矿井的生产中井下的 采集环境恶劣，光纤很容易被破坏，如果使用具有 阻燃性能的ＣＡＮ总线可以最大限度地监控到每一 线与上位机的通信使用通信串口实现。 传 ＭＳＰ４３ＯＩ ６９ 个被监控的角落，即使被损坏也只影响某一部分的 数据传输，不会使整个系统瘫痪。系统的整个设计 感 ｝看门狗ｌ 信号转换 ● 一 — — 电 器 — — 器 数 据 采 集 一 — 继 —吒 一 — Ｉ，ｏ —— —— 分为水位采集部分，数据传输部分，数据分析报警 部分等三个部分。数据采集部分本文设计了变介 质的电容传感器进行水位的采集，基于ＡＴ８９Ｃ５１单 与 口 模数转换 由 通 信 放火处理 滤波处理 一 叫．塑墅亘 －＝ 苗！ 片机处理系统对传感器的参量变换进行控制。在 总线传输部分本文使用了实时性更为出色的ｕＣＡＮ 崔 —叫±童毽皂堕 五瓣 — ＿ 总线技术，使用ＬＰＣ２３６８总线控制器对总线协议进 行驱动，结合ＩｘＣ／ＯＳ．ＩＩ结构使用分层思想的软件设 计对总线进行驱动程序的软件设计。 图２矿井积水监控系统硬件框图 传感器进行水位感知后通过接口电路与信号 的处理模块通过ＣＡＮ总线传输到各个分站控制中， 全体的矿井分站完成水位的信号采集后使用ＣＡＮ 总线对设施进行反馈，远程的分站控制中心将各个 测试点的水位信息进行显示，对超过预警水位的测 矿井的设备中装备了备用电源，进行不问断的 电源供电，在停电的情况下，系统的检测数据不会 丢失。系统应该能够保证矿井生产中可以根据实 际的运行情况切换水泵的工作状态，根据实时监控 科学技术与工程 １３卷 试点进行声光报警，矿井的水位监控系统通过红外 遥控装置实现对矿井分站的操作。 ２．１第一部分：水位传感器设计 因为传统的矿井水位传感器受到矿井的环境 影响，安装在环境要求较高的地点影响了测量精 度，本文使用变介质的电容式水位传感器进行矿井 的水位测量。使用有源晶振为信号源，以ＡＴ８９Ｃ５１ 为控制系统，以电容传感器为探针模型，另外，这种 传感器具有数据处理与显示的功能。传感器的设 计分为信号源激励部分、传感器探头设计、Ａ／Ｄ转 换、检波电路、核心控制部分、ＬＥＤ显示部分： 图３传感器组成结构图 传感器的探头主要是与数据的采集接触部分， 因为在矿井积水的水位检测中工作在一些恶劣的 环境中，本传感器的探头使用的不锈钢的材质，这 种设计能够在工作条件复杂的矿井积水探测中不 受到弱腐蚀介质与酸碱盐等浸腐蚀性介质的腐蚀。 连接的导线使用的材料为聚四氟乙烯电缆，通过这 种材质感知电容的变化： ｃ＝ ｌｎＤ ／ｄ＋ 。 ｌｎＤ／ｄ．Ｃ０＋ ０’ ｌｎＤ／ｄ （１） 式（１）中的参数表示如下： 孝。， 一极板间的介质的介电常数； Ｄ，ｄ一传感器的探头外径与内径； Ｈ，ｈ一电缆的高度与水位的高度。 由式（１）可知电容值与液位的高度成近似线性 关系，可以经过多次的测量，使用曲线拟合的方法 得出电容与水位的变换模型，经过传感器的标定证 明这种方法设计的传感器不但可以工作在各种环 境中，而且具有较高的精确度。信号源的激励中本 文采用了ＳＡＲＯＮＩＸ一９８Ｗ１８Ｋ—ＳＴ４１５０Ｃ １００ ＭＨｚ的 有源晶振，具有较高的频率稳定度，这种芯片只需 要很简单的外围电路就可以实现高频的信号输出。 Ｖ 图４信号源电路 采集的信号进入总线传输之前应该进行信号 的转换，本文使用的传感器数据处理芯片为 ＡＤＣ０８０９，这种芯片使用了ＣＭＯＳ技术进行模数转 换，具有８个通道。 图５模数转换芯片电路图 在ＡＤＣ０８０９操作中通过ＡＬＥ、ＡＤＤＡ、ＡＤＤＢ、 ＡＤＤＣ地址选题将信号输入到ＡＤＣ０８０９并且锁存。 启动Ａ／Ｄ转换脉冲，转换完成后ＥＯＣ＝１，可以利用 这一信号向ＣＰＵ进行请求的中断，ＣＰＵ通过ＯＥ信 号读取Ａ／Ｄ转换结果。传感器的核心控制部分采 用的是ＡＴ８９Ｃ５１单片机，这种芯片可以实现４ＫＢ的 程序存储，可以使用这种芯片配合ＬＥＤ显示功能。 ２．２第二部分：ｕＣＡＮ总线设计 传统的ＣＡＮ总线取代了光纤电缆在井下监控 系统的数据传输，光纤电缆因为经常会受到生产的 无意破坏，造成大面积的系统瘫痪。但是ＣＡＮ总线 也存在着自己的不足，当信号的触发事件较多时存 在着传输延时的情况，这种缺点不适合在影响矿井 积水深度的安全生产监控中使用，本文的总线协议 采取了基于动态优先级晋升的ｕＣＡＮ协议。该协议 ７期 黄振中，等：基于动态优先晋升总线的矿井积水水位监控系统设计 １９３５ Ｍｉｎｅ Ｗａｔｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ Ｂｕｓ ＨＵＡＮＧ Ｚｈｅｎ—ｚｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｑｉｎｇ （Ｈｅｎａｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ ＣｈｅｍｉｃＭ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００４２Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） ，［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ｂｙ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｓｅｎｓｏｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｏｎｌｙ ｂｅ ａｒｒａｎｇｅｄ ｉｎ ａ ｓｐｅｃｉａｌ ｗａｔｅｒ ｓｔｏｒａｇｅ，ｕｎａｂｌｅ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｏｖｅｒａｇｅ， ｗａｔｅｒ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｗ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｌｏｗ ｒｅｓｐｏｎｓｅｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ｔｉｍｅｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄａｎｇｅｒｏｕｓ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ａｌａｒｍ． ，Ｂａｓｅｄ ＯＤ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｉｏｒｉｔｙ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ ｂｕｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄ ，ｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｕＣＡＮ ｂｕｓ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｓｉｇｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ａ ｖａｒｉａｂｌｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｓｅｎｓ０ｒ ｉｓ ．ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｕｓｅｄ ＬＰＣ２３６８ ｃｈｉｐ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｕｐｐｏｒｔＴｈｅ ａｃｔｕａｌ ｔｅｓｔ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｍｏｒｅ ｑｕｉｃｋｌｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ ａｌａｒｍ，ｗｉｔｈ ｓｔｒｏｎｇ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕＣＡＮ ｂｕｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｉｏｒｉｔｙ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ ｖａｒｉａｂｌｅ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ＼ ） ｐ （上接第１９２６页） Ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｖｏｌａｔｉｌｅｓ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ＹＵ Ｈａｌ—ｑｕｎ ， ，ＸＵ Ｙｏｎｇ—ｌｉａｎｇ ，ＳＨＩ Ｈａｉ．ｂｉｎ ，ＬＩＡ０ Ｙｏｎｇ．ｊｉａｎ ，ＣＨＥＮ Ｊｉａｎ—ｍｉｎｇ （Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｙｕｎｆｅｎｇ Ｎｅｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．Ｌｔｄ ，Ｊｉｎｈｕａ ３２１０３７，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ； Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｙｕｎｆｅｎｇ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｅｃｈ ＣｏＬｔｄ ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２０１，ＰＲ．Ｃｈｉｎａ） ．．［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ｕｓｉｎｇ Ｋｙｒｏｐｏｕｌｏｓ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｇｒｏｗ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｃｒｙｓｔａｌ，ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｖｏｌａｔｉｌｅｓ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｏｆｔｅｎ ｅｎ． ．ｃｏｕｎｔｅｒｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ３ Ｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ＦＬＵＥＮＴａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌａｔｉｌｅｓ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｕｐ ｓｈｉｅｌｄ，ｃｒｕｃｉｂｌｅ ｌｉｄ ａｎｄ ｈｅａｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｅｔａｉｌｅｄＩｎ ｏｒｄｅｒ ． ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｖｏｌａｔｉｌｅｓ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｅｒ ｐｕｒｉｔｙ Ａ１２ ０３ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄａｎｄ ｕｓｅｄ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｓｃｒｅｅｎ ｉｎ． ，ｓｔｅａｄ ｏｆ ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ ｓｃｒｅｅｎ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｈｅａｔｅｒ． Ａｆｔｅｒ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｖｏｌａｔｉｌｅｓ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｅｆｉｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｅｄ ａｎｄ ｏｂｔａｉｎｅｄ ７５ ｋｇ ｃｒｙｓｔａｌ ｗｉｔｈ ｇｏｏｄ ｑｕａｌｉｔｙ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｖｏｌａｔｉｌｅｓ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｅａＩ℃ｈ