基于PROFIBUS的煤矿监控数据采集分站的设计.pdf

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Vo1．18。NO．7第18卷第7期中国矿业2009年7月CHINAMININGMAGAZINEJuly2009基于PROFIBUS的煤矿监控数据采集分站的设计刘传玺(山东科技大学，山东泰安271021)摘要：本文介绍了一种用PROFIBUS现场总线在煤矿中进行数据传输的新型方法。本系统采用SPC3和65ALS1176设计了井下智能分站，并用STEP7进行组态。该系统与传统系统相比具有通信可靠、抗干扰性能好，传输距离远等特点。关键词：PROFIBUS总线；监控数据采集；智能分站中图分类号：TP274‘．1文献标识码：A文章编号：1004—4051(2009)O7一O111一O3ThedesignofmonitordataacquisitionsystembasedonPROFIBUSfieldbusinthecoalmineIIUChuan-xi(ShandongUniversityofScioenceandTechnology，Tai’an271021，China)Abstract：ThispaperintroducesanewmethodwhichusesPROFIBUSfieldbustOtransferdatainthemine，thissystemdesignstheintelligentsubstationusedSPC3and65ALSl176；usesSTEP7toconfigurethenetwork．．Theadvantagesofthesystemaredependabledata—transfer，goodanti—jamming，longtransferdistancecontrastwiththetraditionalsystem．Keywords：PROFIBUSbus；thedataacquisition；intelligentsubstation煤矿井下监控系统一般采用传感器一分站一地整个煤矿安全监控系统设计分为三个结构：中面的三级结构。分站收集传感器信号，并按某种约心站，井下监控分站，传感器。中心站负责接收、定的传输协议和地面系统通信。由于煤矿井下每个存储和显示从井下监控分站传来的各种井下生产环监测点的监测种类众多，且分布不均匀，有的测点境安全监控数据，并通过各个井下分站发送各种配模拟量多，有的测点开关量多，为使分站能适应不置命令和对现场设备的控制命令(如配置传感器参同的测点，分站具有多路采集通道且最好是不区分数、报警参数、控制参数等，配置完成后，把井下模拟量通道和开关量通道。分站和地面的通信协议分站纳入监控网)。传感器负责收集各种现场环境对整个监控系统性能好坏起着至关重要的作用，目安全监控数据和设备运行状态数据。井下分站负责前各种系统采用的FSK或RS485通信协议，存在把传感器采集到的各种数据通过通信介质传输到中着很大的不足，如通信速率低、主从通信巡检周期心站，然后接收中心站的控制命令，完成对现场设长、实时性差等，尤其不能满足监控分站之间彼此备的控制，以及声光报警等。采用PROFIBUS控能够相互通信的要求。工业测控领域的PROFI—制器总线进行井下智能节点的设计有以下优点：①BUS总线通信协议支持多主站，实时性强，可靠最多可用127个节点，而RS一485最多可带32个节性高、传输速率高，传输距离远，经过电气防爆方点，这就为多处安置传感器设备提供了可能。②面的改造，能够很好地满足矿井监控系统对监控分PROFIBUS的物理层符合EIARs一485标准(也称站的要求。为H2)，在原有的RS一485通信基础上改造也较容1系统总体结构设计易。③PROFIBUS总线具有诊断功能和保护功能，传输可靠性高。④当一个节点由于粉尘或其他原因收稿黯期：2009—03—25不能正常工作时，能自动关闭输出功能，而不影响作者简介：刘传玺，(1962-)，男，山东东平人，现任山东科技大学机电工程系副教授，硕士生导师，长期从事测试技术领域的教学其他节点的操作。⑤PROFIBUS总线中当一个节与研究工作。点采集到的数据异常，达到危险值时，能够自动关 112中国矿业第18卷闭采集通道，并切断电源，同时以广播的形式通知2井下监控分站智能节点的硬件设计其他的节点分站(tg址127是广播地址)，提示附在分站硬件设计时，采用模块化的设计方法。近工作人员赶快撤离。因此我们可以看出，基于设计对象包含PROFIBUS总线接口部分、CPU、PROFIBUS总线的煤矿数据采集系统的可靠性和复位芯片、总线地址译码部分和I／o接口部分及数实时性在一定程度上得到保证。图1是系统的结构据采集部分。该系统采用Philips公司的图。P87C51RD2，PROFIBUS通信控制器采用西门子在中心站和井下控制分站之间采用西门子公司公司的SPC3和65ALSl176，看门狗电路采用xi—推出的网络接口卡CP5613，来实现现场总线协议cor公司的串行E2PROM和WDT一体化的电路，和中fl,站计算机标准接口协议的相互转换，以便形防止程序跑飞。图2为井下分站智能分站的硬件框成基于Internet的煤矿监控系统的设计。图。DIP开关用于设置该智能分站的节点号，这个IPC／0],节点号是预先约定的协议分配给每个分站的唯一地址，用户在分站下井前根据这个分配的地址进行配ICP5613I置节点号。l矿用模拟量传感器输出信号以频率型为优选，lI开关量为触点型或电流型。来自传感器的8路频率井下控制分站l井下控制分站井下控制分站l信号(200~1000Hz)进行整形，从而得到波形、_l_上_L电平规范的方波信号。光耦电路则主要负责信号的各井各井各目井隔离，消除共模电压的影响并遏制过程通道上的一种光下种光下种光下传报控传报控传报控些脉冲干扰，从而提高系统的信噪比。单片机定时感警制感警制感警制器器器器器器器器器巡检8路信号，对得到的数字量进行判断和运算，进而用得到的控制量，去自动控制继电器的状态，图1系统结构框图从而实现对井下设备的控制。利用LED数码管显示频率、通道号、通道类型以及线路状态等。模光整PROFIBUSRS一485拟—_^—-_．晕j隔形日—通信驱动器输控制器入，’。。。。。’。。。。。。。一MCIJHcs开(P87C51RD2)关匕Z、l二．：量输n—————／互八LED显示(x5045)—一I--E2PROM+WDT声光报警终端电阻图2井下分站智能分站的硬件框图PROFIBUS总线把单片机根据主站命令采集其中关键技术是测频。通常使用的单片机的测的安全监控监测数据传给上位机。智能分站也能够频方法有两种：直接测频法和测周期的方法。本设根据主站发来的命令允许对继电器的状态进行手动计中选用了测周期的方法，因为本设计中被测信号控制。注意：通信采用双绞线进行，为了避免电缆的频率较低，用测周期的方法精度较高，而且实时反射波，同时也为了抗信号线上的回波干扰，要在性强、测频时间短，即使主站与分站每隔400ms通信线的两侧加上120欧姆的终端电阻。通信一次，也能够完成测频的功能。根据频率计算 第7期刘传玺：基于PROFIBUS的煤矿监控数据采集分站的设计公式得到周期法测频公式f，式中，TO为定时器／据放入到SPC3的输入缓冲区，上传给上位机。计数器的计数脉冲周期时间，由单片机主脉冲经(3)监控机操作界面和数据库管理程序l2分频得到，N为计数器在测周期期间的计数脉系统中心站监控界面采用VisualBasic的IFIX冲。当晶振振荡频率为24MHz时，定时器的计数监控软件包，主要是对各分站的设置、更改、监控脉冲周期时间为0．5ms，测量最大绝对误差为信号等功能。为了更加方便用户的使用，也为了开发基前后边界之差共lms。对于周期为1～5ms(频率于互联网络的煤矿监控系统，在后台采用实时数据2001000Hz)的信号，最大误差折算成频率约为库把数据保存起来，以供查阅、分析、管理。0．002～0．01Hz，所以，频率测量精度可达到0．001t0．01Hz。3上位机与下位机的连接中心站上位机通过基于PCI总线的CP5613智能网络通信接口卡与井下分站进行数据通信。智能分站设计完成之后编写智能分站的GSD文件(电子设备文件)，利用STEP7组态软件完成系统组态。4系统软件设计采用模块化程序设计方法，主要分为以下几个模块的设计：分站数据采集和处理程序，PROFI—BUS总线通信程序，监控和操作界面和数据库管理。(1)数据采集和处理程序由于井下环境恶劣，复杂多变，为了能够及时准确的将井下的情况反馈给地上的监控人员，要求数据的采集和处理程序有较高的实时性和可靠性，因此采用汇编语言编写。当然该段程序包含LED图3主程序流程图显示程序设计和对异常情况处理程序的设计。5结束语(2)PROFIBUS总线通信程序采用PROFIBUS总线技术的煤矿数据采集系PROFIBUS总线通信程序是整个软件设计的统，具有通信可靠、抗干扰性能好，传输距离远等重要部分。通信过程主要包括发送和接收部分，本特点。同时由于该系统建立了实时数据库，在此基设计中两部分都设置成中断方式而不是查询方式，础上，可以对这些数据进行一定的算法处理，开发把它们做成模块，采用调用子程序的方式来访问。煤矿安全预警系统，使煤矿工人的安全得到进一步上电复位后，首先完成对数据采集分站的初始的保证。I化，包括设置SPC3允许的中断，写入从站识别号参考文献和地址，设置SPC3方式寄存器，设置诊断缓冲[1]李正军．现场总线及其应用技术[M]．北京：机械工业出区、参数缓冲区、地址缓冲区、初始长度，在完成版社，2005．初始工作后，执行监控主程序，等待发送中断或接(23阳宪惠．工业数据通信与控制网络EM3．北京：清华大学收中断请求。主程序流程见图3，其中输入输出都出版社，2003．是相对于主站而言。上位机向从站发送数据后，在[3]周明．现场总线控制[M]．北京：中国电力出版社，2002．SPC3的输出缓冲区可以得到数据。从站采集的数