矿用信号转换器 【技术领域】
本发明涉及信息自动化处理技术领域，是一种与煤矿井下各种传感器数据远程监控监测系统配套的矿用信号转换器，利用分布式监控监测技术组成的井下传感器网络进行监测的装置，适用于有瓦斯和煤尘爆炸危险场所的实时监测监控。
背景技术
煤矿安全生产自动化测控系统包含广泛的内容，首要任务是保障煤矿安全生产。随着国家煤矿瓦斯灾害治理“瓦斯抽放、监测监控、以风定产”十二字方针的落实，地方乡镇煤矿80％以上的高瓦斯矿井装配了安全生产监测监控系统，统配和国营煤矿几乎全部装配了安全生产监测监控系统，煤矿安全状况得到显著改善。虽然如此，受煤矿超能力生产、测控与监管技术落后等方面影响，瓦斯事故、甚至特大瓦斯事故仍然时有发生，除管理因素外，监测监控系统技术落后也是主要原因之一。
我国煤矿安全生产自动化监测监控系统起步于80年代，20多年来几乎没有大的技术进步。现有系统全部为集散模式(DCS)、速度慢、容量低、可靠性差、无网络功能、系统间软硬件互不兼容、成本高、仅仅数据监测无多媒体监测功能。随着煤矿产量的提高，开采范围越来越大，巷道与通风关系越来越复杂，需要监测监控的内容越来越多，互相间的联系越来越密切，而现有系统几乎无能为力，有的系统不得不采用多串口将一个系统分成几个部分来完成，更无法实现区域性断电关联控制。因此升级现有监测监控系统，开发能够全面监测监控煤矿瓦斯爆炸事故的新型煤矿安全生产自动化监测监控系统，对于避免煤矿重大瓦斯事故，促进行业技术进步具有十分重大的意义。基于工业以太网和现场总线先进技术的新型煤矿安全生产自动化监测监控系统取代原来的系统是大势所趋，并且条件已经成熟。而基于工业以太网和现场总线先进技术的新型煤矿安全生产自动化监测监控系统需要解决大量的数据通讯协议与信息资源共享问题，所以研究编制基于工业以太网和现场总线先进技术的新型煤矿安全生产自动化监测监控基础标准体系，对于规范技术发展、实现资源共享、保证系统安全、促进行业技术进步都将具有重要的意义。
现有的类似产品只包含一套电源系统，用于产品的工作电源，所挂接的各种传感器的工作电源还必须另外提供接线位置，不方便现场人员的使用。
现有的类似产品只通过一种总线方式例如RS-485总线或者CAN总线直接连接到上层终端机设备，不利于实现异地断电功能，而且通讯的鲁棒性差。
虽然现有的类似产品也可以挂接多个外部设备，但是其挂接通道型号设置不灵活，例如某挂接通道只能接入频率制式信号的设备，而不能接入电流型信号或者其它类型信号的设备，而且随着挂接通道数目的增加，产品的尺寸也会随之增加。
综合上述，本发明的研究开发，将解决我国煤矿监测监控技术存在的系统反应速度慢、可靠性不高、不能相互兼容等问题，实现瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、煤层自然发火、胶带火灾危险性的自动预测和智能控制技术的有效集成，为其它灾害预防控制技术的集成提供技术平台，并将大大加快现场总线等高新技术在煤矿安全生产监控领域的应用，缩短我国在矿用瓦斯检测技术和监控系统体系结构、通讯方式与国外先进国家之间的差距，同时可以大大提高煤矿对重大灾害的预警防范能力，实现煤矿生产、安全监控技术的升级换代，为煤炭工业安全生产形势的根本好转及其健康发展提供重要的技术支撑和保障。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种矿用信号转换器，用于煤矿井下传感器数据远程监测监控系统中的井下传感器数据采集与控制装置，实现动态实时监测过程，无需工作人员在井下现场值守，通过远程控制操作实现煤矿井下各种传感器数据存储与解释，降低工作人员的劳动强度，保障煤矿生产的安全进行。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种矿用信号转换器，是基于C51内核微处理器的自动信息处理装置，其包括本安电源模块、微处理器模块、通讯模块、传感器信号输入处理模块、信号输出处理模块和本安外壳，其中，
本安电源模块包括两套电源系统，一套+5伏的电源系统用于信号转换器的工作电源；一套+18伏～+24伏的电源系统用于所挂接的各种传感器的工作电源；两套工作电源通过DC-DC转换器相互隔离，传感器挂接后直接使用；
通讯模块负责该矿用信号转换器与上一级矿用数据分站的通信，两者之间通过RS485总线进行通讯，通过拨码开关来预先设定地址。
传感器信号输入处理模块包含多个通道，根据输入信号的类型自动切换到相应的处理模块，便于信号的正确采集和处理；其中电流型输入信号和开关量型输入信号的处理采用八通道8位ADC，对于4-20毫安电流信号，通过250欧采样电阻转换成1-5伏的电压信号，8位ADC的测量误差为0.0784毫安；频率型输入信号地处理利用CPU的定时器功能来测量频率。
微处理器模块为整个矿用信号转换器的核心，采用基于C51内核的单片机系统；
本安外壳采用防水、防尘、防腐设计。
所述的矿用信号转换器，其定时采集各种传感器信号，包括频率制式信号传输、电流型信号传输、脉冲型信号传输、开关型信号传输，并根据信号幅值和开关状态作出判断，若信号不正常，能够及时报警并发出断电信号到执行器。
所述的矿用信号转换器，其直接挂接≤8个外部设备，是≤8路模拟量和相同数路开关量的组合，并有6路断电执行功能，极方便连接。
所述的矿用信号转换器，其多个矿用信号转换器通过各自的RS-485总线驱动模块同时挂接到485总线上，与上一级的矿用数据分站上建立通讯，同时，该级的矿用数据分站通过CAN总线与上层终端设备相连，这种两级式通讯方式不同于以前的一种总线方式，利用这种两级式通讯有利于实现异地断电功能，而且通讯的鲁棒性好。
所述的矿用信号转换器，其在矿用信号转换器与上一级矿用数据分站建立连接后，根据其所采集和监测到的信息，定时向矿用数据分站发送数据包，包括所挂接传感器的类型、信号数值、以及各种报警信息。
所述的矿用信号转换器，其采用防水、防振、防尘、防腐设计，工作温度范围为-20～40℃，平均相对湿度小于等于95％，适用于有瓦斯和煤尘爆炸危险的场所。
本发明的矿用信号转换器，可安装于煤矿井下巷道和工作面，和地表主机、井上传输接口、井下传输接口、各种安全传感器、断电执行器、矿用数据分站共同使用，通过井下通讯电缆、通讯光缆，把井下安全、工况、监控信息传输到地表主机，执行各种上位机发送的指令，根据瓦斯浓度完成断电功能，实现井下安全、生产和监控工作的管理。
【附图说明】
图1为本发明的矿用信号转换器的工作原理图；
图2为本发明的微处理器模块和通讯模块；
图3为本发明的电流型输入信号处理模块；
图4为本发明的频率型输入信号处理模块。
【具体实施方式】
参见图1、2、3、4，一种矿用信号转换器，是煤矿安全监控系统使用的主要配套产品，适用于煤矿井下有甲烷气体爆炸的生产环境，具备本安防爆、数据收发、自动管理的功能。传感器的类型包括瓦斯传感器、一氧化碳传感器、风量(速)传感器、数字温度传感器、液位传感器、负压(压力)传感器、烟雾传感器、电力参数变送器、设备开停传感器、风门开关传感器、馈电开关传感器等，除后三种传感器属于开关量传感器，其余都属于模拟量传感器。模拟量传感器的输出信号有两种形式，即电流型或频率型。电流型传感器输出4-20毫安(mA)电流信号，采用二线制或三线制或四线制方式，二线制4-20毫安(mA)电路应用，其工作电源和信号共用一根导线，工作电源由接收端提供；三线制4-20毫安(mA)电路在设计上是由变送器端提供工作电源；四线制比三线制多一个断电信号，该信号为5毫安(mA)电流信号。频率型传感器输出200-1000Hz频率信号(幅值5V、电流5-10毫安(mA))。开关量传感器的输出信号为0/5毫安(mA)。矿用信号转换器负责收集煤矿井下某个区域内的各类传感器的信号，把信号数值上传给上一级的矿用数据分站，然后再传送给地面主机，并接收地面主机下发的命令，根据指令来控制断电仪的断电。断电仪的断电采用两种接线方式，如果断电仪距离传感器较近，那么四线制传感器的断电信号线可以直接接入断电仪内，直接控制断电仪断电而不需要经过信号转换器；如果断电仪距离信号转换器较近，那么四线制传感器的断电信号线直接接入信号转换器内，由该信号转换器来控制断电仪的断电。当传感器出现故障时，及时上报。各类传感器的供电都由矿用信号转换器来提供。
信号转换器由本安电源、微处理器模块、数据存储模块、通讯模块、传感器信号输入处理模块、信号输出处理模块和本安外壳组成。具有以下几个功能特点：
a)功能齐全：实现了井下安全管理因素绝大多数的现场监控，包括通防管理、机电设备管理、井下数据传输、瓦斯断电管理等重要管理功能。
b)安全可靠：电路完全采用本安设计，低电压、低功耗，产品通过MA认证，确保了煤矿井下使用的安全性。
c)高容量：该矿用信号转换器在上一级矿用数据分站的支持下，具有2小时断电的功能；内置大容量内存，可满足数据自动保存，可避免因上级网络和设备故障丢失重要监控数据，足以满足现有大中型矿山的需要。
c)可扩展：该矿用信号转换器采用多种总线接入技术，可挂接多达8个外部设备(8路模拟量和8路开关量的组合)，并有6路断电执行功能，极方便连接。煤矿上现在所使用的井下数据采集器挂接外部设备时，必须指定挂接端口的设备类型。而该矿用信号转换器挂接外部设备时，不需要特别指定挂接端口的设备类型，地面上的主机根据所挂接的设备实时发送指令，通过光纤环网、can总线、485总线一级一级的依次传送给矿用信号转换器，然后该矿用信号转换器根据指令自动切换通道，例如7号通道挂接频率型传感器时，地面上的主机设定某号信号转换器的7号通道为频率型，收到命令后该信号转换器自动把7号通道切换到频率信号输入端口，以便信号的正确采集和处理。
d)高新技术集成：该矿用信号转换器集成了485总线传输、频率制式信号传输、电流型信号传输、脉冲型信号传输、开关型信号传输，采用了低功耗设计，系统集成度高，具有输入识别、滤波、存储、巡检、传送、在线写入等多种功能。
该矿用信号转换器的工作原理如图1所示。其中
本安电源包括两套电源系统，一套+5伏(V)的电源系统用于信号转换器的工作电源；一套+18伏(V)～+24伏(V)的电源系统用于所挂接的各种传感器的工作电源。
微处理器采用基于C51内核的单片机系统，由汇编语言实现各种软件功能，内置大容量内存，可满足数据自动保存。通讯模块可以使多个矿用信号转换器同时挂接到485总线上，与上一级的矿用数据分站上建立通讯，传输速率可以达到10kbps，最大传输距离为2公里(km)。如图2所示。
传感器信号输入处理模块采用多种接入技术，根据输入信号的类型自动切换到相应的处理模块，便于信号的正确采集和处理；其中电流型输入信号和开关量型输入信号的处理采用八通道8位ADC，对于4-20毫安电流信号，通过250欧采样电阻转换成1-5伏的电压信号，8位ADC的测量误差为0.0784毫安；频率型输入信号的处理利用CPU的定时器功能来测量频率。而现有的类似产品需要指定某个输入通道的类型，产品出厂时其硬件结构就已经确定了该输入通道只能挂接某种类型信号的外部设备。由于传感器信号输入处理模块的灵活性，矿用信号转换器可以挂接多达8个外部设备(8路模拟量和8路开关量的组合)。模拟量输入信号包括频率型、电流型、以及脉冲型，电流型信号范围为1毫安(mA)～5毫安(mA)或4毫安(mA)～20毫安(mA)，这种输入信号的处理模块如图3所示，频率型信号范围为200Hz～1000Hz，这种输入信号的处理模块如图4所示。开关量输入信号包括有源和无源两种类型，有源输出高电平电压应不小于+3.0V(输出电流为2毫安(mA)时)，有源输出低电平电压应小于等于+0.5V(输出电流为2毫安(mA)时)；无源输出截止状态的漏电阻应不小于100k欧(Ω)，无源输出导通状态的电压降应小于等于0.5V(电流为2毫安(mA))。
信号输出处理模块具有6路断电执行功能，输出电压信号，高电平输出18V电压，低电平输出电压小于0.5V。
本安外壳采用防水、防尘、防腐设计。