基于CAN总线煤矿瓦斯智能节点的研究与设计

摘要：煤矿瓦斯气体监测的系统是保证煤矿生产安全的必备设备，分析国内外煤矿瓦斯气体监测系统特点，提出基于CAN总线煤矿瓦斯气体监测的网络系统。着重介绍以P80C592单片机作为CAN总线煤矿瓦斯智能节点，研究设计CAN总线通信接口电路、MAX306数据采集电路以及相应的软件设计等。通过研究设计表明智能节点具有简单明了、体积小、性能高、成本低廉、抗干扰能力强等特点，能够满足煤矿瓦斯气体监测的网络系统要求。
关键词：CAN总线；瓦斯；传感器；远程监控

0 引言
我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。煤炭中含有大量的甲烷(CH4)等易燃易爆气体，它是瓦斯形成的主要成分，发生瓦斯事故后会造成巨大的经济损失，危及矿工的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全隐患越来越多，特别是重大、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例也越来越高。如果不控制住瓦斯事故，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤其重要，对易燃易爆混合气体监测系统的开发也成为重中之重。
世界各国也均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN6400、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion-200等，其中全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国MSA公司生产的系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。但是这两种系统只是基于井下监测，并无数据上传，不能实现智能化监控。我国监测监控技术应用较晚，20世纪80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引进了一批安全监测系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤矿科学研究所研制出KJ2，KJ4，KJ5，KJ10，KJ13，KJ19，KJ38，KJ66，KJ75，KJ80，KJ92，KJ95，KJ101等煤矿有害气体监测系统，在我国煤矿已有大量使用，但其中很大一部分仪表的传输数据是模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受矿井下强电磁设备干扰，造成监测结果不准确，易出现误报警等现象。
鉴于此提出基于CAN总线研究设计方案，系统结构见图1，工作原理如下，每个智能节点可以监测64点瓦斯，每个智能节点把监测的数据通过CAN总线传输到上位机，上位机根据传输的数据做出决定。上位机系统采用PCI总线工业控制机和CAN总线接口通信卡，软件采用VB或组态软件编写应用程序，下位机(也称远程智能节点)采用单片机设计，下面着重研究设计智能节点。

CAN总线直接通信距离最远可达到10 km(速率在5KB／s以下)，在通信距离为40 m以内时，通信速率最高可达到1Mb／s。CAN总线节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达到110个，如果需要更多节点，可以利用中继器，实现网络节点的增加和传输距离的延长。