基于现场总线的煤矿提升信号系统研究

【摘 要】本文针对目前以PLC为控制核心的煤矿提升信号系统存在问题，提出了采用CAN现场总线技术进行煤矿提升信号传输的新方法。指出了CAN总线技术在煤矿井下环境使用的优点。介绍了应用89C51为核心和总线接口芯片SJA1000、CAN总线收发器82C250组成的基于CAN总线通信协议的煤矿提升信号传输系统，并阐述了传输系统的硬件电路及控制软件的实现方法。

【关键词】煤矿提升信号；信号通信；CAN现场总线

0 引言

矿井提升机常被人们称为矿山的咽喉，是矿山最重要的关键设备，是地下矿井与外界的唯一通道，肩负着矿石、物料、人员等的重要运输责任。传统矿井提升机主要使用PLC为控制核心。随着煤矿开采水平的延伸，煤矿安全控制设备的增加，控制信号种类、数量急剧增加，造成设备安装、调试、维修十分困难，同时还常引起信号之间的干扰，造成设备的误动作。CAN总线技术是目前工业控制领域数据通讯的新方法，CAN总线网络以两线制数字串行通信，具有很高的抗干扰能力、很好的差错控制能力，应用CAN总线新技术替代PLC并行信号通讯方法，可以大大地减少了信号线数量，提高提升信号质量，降低信号装置安装难度，减少线路投资，提高线路的可维护性。采用CAN总线煤矿提升信号装置对提高煤矿安全生产水平，提高生产率，具有重要的现实意义。

1 CAN总线煤矿提升信号装置的特点

煤矿提升信号的特点是控制信号多、通讯距离长、控制逻辑复杂，CAN总线煤矿提升信号装置采用89C51嵌入式微处理器为核心，89C51具有良好的软件逻辑判断、强大的计算能力及方便的显示功能，可以很好的完成提升机房与井口和井信号操车控制台的信号通讯，实现对提升信号进行接收、发送和交换任务。采用CAN总线串行通讯的方法对信号进行整合处理，装置线路简单、安装方便、具有较强的抗干扰能力，提高了煤矿的安全生产程度。

2 CAN总线煤矿提升信号系统的组成及操作站硬件电路设计

系统由煤矿提升机房信号操作站，井口操作站，水平信号操作站，井底信号操作站组成，操作台之间由CAN总线网络连接，系统原理图如图1所示。

提升机操作站内硬件由89C51单片机为控制核心，其承担CAN控制器的初始化、CAN的收发控制等任务。它通过MAX232串行接口电路实现上位机与现场微处理器之间的数据通信。SJA1000是一个总线接口芯片，主要功能是通过CAN总线接收来自上位机的数据进行分析组态然后下传给下位机的控制电路实现控制功能，当CAN总线接口接收到下位机的上传数据，SJA1000 就产生一个中断，引发微处理器产生中断，通过中断处理程序接收每一帧信息并通过CAN总线上传给上位机进行分析。82C250是CAN控制器与物理总线间的接口，可以提供对总线的差动发送和接收能力，与IS011898标准完全兼容，并具有抗汽车环境下的瞬间干扰、保护总线的能力。为了提高系统的可靠性和抗干扰能力，在CAN控制器和CAN收发器之间采用光耦6N137进行隔离。可以很方便的利用CAN总线与外界进行数据交换。它的优点是电路接口比较简单，只需很少的电路就可实现CAN通信，受硬件限制比较少；软件编程容易实现所需功能。

各操作站信息通讯具有以下特点：（1）可靠性高，支持多操作站，链路简单，并支持优先级处理。（2）采用多主工作方式，网络操作站上任意节点均可主动向其他节点发送信息，且可按系统实时性要求分成不同的优先级，一旦发生总线冲突可减少总线仲裁时间。（3）采用短帧结构并有硬件CRC校验，受干扰概率低，总线占用时间短，可保证通信的实时性。（4）操作站发送的信息遭到破坏后，可自动重发，节点在错误严重时具有自动退出总线的功能，不影响总线的通讯。（5）其传输介质可用双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率最高达1Mbps/40m和5Kbps/10km。（6）单条总线可接多个操作站节点并可通过网桥方便地扩充节点数，与井下网络进行联络通讯。如图2所示，操作站硬件电路由89C51单片机、CAN通信信号处理器82C250、总线接口芯片SJA1000、报警器组成。系统由CAN总线信号处理器82C250与总线接口芯片SJA1000、MAX232串口转换芯片实现与上下操作站进行信息联络，完成提升信号系统功能。

3 系统软件设计

系统软件由CAN总线信息处理部分、控制信号信息处理部分、LCD信息处理部分、89C51单片机、CAN通信信号处理器82C250、总线接口芯片SJA1000、MAX232串口转换芯片。（1）CAN总线信息处理部分：主要包括CAN初始化程序、CAN中断服务程序、CAN数据采集接收发送程序。（2）控制信号信息处理部分：主要包括系统初始化程序、输入按键防抖动程序、输入信号数字滤波程序、信号逻辑处理程序、系统优化程序、CAN接口程序。（3）89C51单片机与PC机RS232串行通讯部分：主要包括89C51单片机异步收发通讯程序、应用VB6.0编写的PC机串口通讯程序及显示界面程序。

4 结束语

应用CAN现场总线技术进行煤矿提升信号系统技术更新，改变了过去矿井提升信号并行通讯方法，简化了系统硬件结构，安装维护更为简单方便，提高了煤矿提升信号系统的安全性。系统多节点通讯网络互联结构、高速率长距离的传输特性，解决了煤矿开采水平的向下延伸、矿井多水平开采、控制信号数量急剧上升的问题。