煤矿井下人车概要.docx

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煤矿井下人车概要

1引言

1．1研究的背景及意义

煤炭作为我国最主要的能源生产和消费形式，一直以来占我国一次能源生产和消费结构中的70％左右，预计到2050年还将占50％以上，因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。

2002年全国煤炭总量为13.9亿吨，2003年为16.0亿吨，2004年煤炭产量尽管达到了19.60亿吨，2005年达到21亿吨，仍不能完全满足需求。

随着煤炭开采量的不断增加，煤矿安全问题变得越来越突出[1]。

我国是目前世界上煤炭伤亡事故发生频率最高的国家，平均每百万吨煤炭死亡率是美国的200倍，印度的8倍，世界平均的12倍。

全世界每年死于矿难的人数约15000人，而中国就高达6000多人，占到将近1/2。

这还不包括事实上存在的大量瞒报、虚报的情况。

平均起来，中国每月约有500多名矿工、每天约有17名矿工死亡[2]。

《中国煤炭报》显示：

每年开采百万吨煤炭，中国平均死亡人数约10人，俄罗斯约0.66人，美国约0.038人。

可见，我国煤炭生产的安全形势是多么严峻[1]。

目前，中国由经济加速发展拉动的能源需求正在不断增大，能源短缺问题渐趋成为制约中国经济健康、快速发展的“瓶颈”。

煤炭作为基础能源之一，随着其自身市场化进程和人们对生命价值的重新认识，其安全生产问题近年来越来越为人们所关注[2]。

煤矿的安全工作是多环节、连续性、集中负责、齐抓共管的工作，是一个多层次、多渠道，深入实际的工作。

煤矿安全抓好工作是煤矿各级领导的重要职责。

安全是生产的前提基础，生产过程中必须抓好安全工作,搞好煤矿安全生产,关系到人民群众的生命财产关系到企业的生死存亡,关系到国家和社会的安定。

要搞好煤矿的安全工作，必须采取多种形式的工作方法，必须使领导重视各部门间的相互配合,加强职工安全教育培训,抓好质量标[3]。

近年来，我国政府提出了“以人为本”的执政理念，更加审视人民的利益和权利。

由于历史或现实的原因，一些企业仍未重视矿工的切身安全利益。

设备技术落后、资金投入不足、规章制度滞后、侥幸蛮干等等。

致使煤炭安全事故甚至是特大安全事故时有发生，“以人为本”珍惜生命是现代社会倡导的理念；对矿工生命的尊重，对矿上利益的维护是企业建立良好的安全生产制度的出发点[4]。

2010年，国家安监总局8月25日全文公布<金属非金属地下矿山企业领导下井带班暂行规定>。

规定指出，矿山企业井下作业人员有权在无矿领导下井带班时，逐级汇报后拒绝下井。

但是拒绝下井并不能解决根本问题，只有提高煤矿的配备，才能保证矿工的安全[5]。

影响煤矿安全的因素是多种多样的，有煤矿本身的自然条件当面的原因，有管理方面的原因，有职工素质方面的原因，但是也有技术装备方面的原因[6]。

近年来，随着国家对煤矿安全的重视和投入，矿井安全装备有了很大的改善和提高，但还有许多矿井的安全设施达不到要求，这也是当前存在的安全隐患[7]。

我这次研究的主题就是关于井下人车的门控装置设计，确保井下工人在行进过程中的安全。

这即符合我国政府提出的“以人为本”的执政理念，又能提高煤矿的安全生产。

1．2研究的现状及发展趋势

《煤矿安全规程》第360条对乘车人员的规定有：

“听从司机及乘务人员的指挥，开车前必须关上车门或挂上防护链，防止乘客在乘座过程中跌出车外，造成对人员的人身伤害”。

在现有技术中，国内外的人车防护状况主要有两种类型：

第一种是防护链，依靠乘客自觉性来挂摘防护链或靠跟随车工监督，其缺点是受人的因素影响较大，容易造成失误；第二种是防护门即规程所说的推车门，上车乘客自己关闭，下车打开，但也受到人为因素的影响，该车的缺点是没有实现跟车工的限制，受乘客个人因素的影响同样也会造成失误，存在引发事故的隐患[8]。

为消除安全隐患，一些防护措施被采用。

例如，在实用新型专利：

井巷人车集中控制闭锁栏（ZL专利号200320107717.3）中，一种用于井巷人车闭锁栏的技术改进装置和方法被使用。

上述技术存在以下缺点：

1）采用安装在车体外机械形式的闭锁栏，重量大，在运行过程中，需要消耗较多的动力；2）闭锁栏为整体式，在弯道时，不能够弯曲，不利于人车的运行；3）虽然押车司机能够控制闭锁栏，但需要逐一检查每节车厢是否有人上下车，使用不方便和灵活。

通过查阅与分析，煤矿井下人车未来的发展趋势就是人工智能控制，尽量减少人为因素的影响，使车在行进过程中不会因为乘车人员的失误而造成事故，从而能够确保所有乘车矿工的人身安全，这对煤矿来说是最重要的。

1．3研究的目的

本设计的主要目的是设计一种煤矿井巷人车门禁系统，要求利用CAN总线技术和单片机技术来实现煤矿运送人员的井巷人车由押车司机集中控制所有车厢车门的开启与闭合，避免了乘客随意打开车门，或在停车前随意上下跳车，以及由此造成的人员伤亡等事故。

CAN是控制器局域网络（ControllerAreaNetwork,CAN）的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准，是国际上应用最广泛的现场总线之一。

CAN即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。

与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性[9]。

现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物。

它把专用处理器置于现场自控设备和测量仪表，使它们具有了数字计算和数字通信的能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。

简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成了网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以互相沟通信息，并可共同完成自控任务的网络控制系统，即现场总线控制系统。

近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

本次研究是通过采用CAN总线技术使得位于驾驶室的主机单元和位于各个车厢的从机单元连接在一起；主机单元、从机单元可以通过计算机通信接口与上位计算机之间实现信息的传输，从而实现控制。

2系统设计

2．1系统设计要求

本设计要求设计一个基于CAN总线的煤矿井下人车门控装置。

井巷人车是煤矿运送人员的主要设备，井巷人车乘车安全是煤矿安全的一个主要方面。

确保乘客乘车安全是井巷人车设计应考虑的一项主要内容。

设计要求是设计一种煤矿井巷人车门禁系统，利用CAN总线技术和单片机技术来实现煤矿运送人员的井巷人车由押车司机集中控制所有车厢车门的开启与闭合，避免了乘客随意打开车门，或在停车前随意上下跳车，以及由此造成的人员伤亡等事故。

设计中采取主从节点的网络设计方案，通过主节点对各个从节点的门进行控制。

2．2系统总体设计方案

本系统主要包括三部分：

2．3系统总体结构框图

本系统采用主从式总线型网络结构。

该网络结构具有结构简单、布线容易、成本低、编程容易等优点。

系统中由CAN主节点、多个CAN从节点、门锁装置和灯设备等组成。

在主节点可以设置能反映所有从节点工作状态的灯设备。

具体系统总体结构框图如下图：

总体结构框图

3硬件设计

主节点包括CAN总线硬件，单片机，计算机通信接口和状态指示灯。

从节点包括CAN总线硬件，单片机，计算机通信接口，状态指示灯，电磁锁，蜂鸣器等。

计算机通信接口可以是目前普遍采用的USB接口或RS-232接口。

下面开始逐一介绍相应的硬件。

3．1主要单元硬件设计

3.1.1CAN总线的硬件设计（CAN总线简单介绍一下，接着再介绍硬件组成）

CAN总线系统节点硬件电路如图1所示，从图中可以看出，电路主要由独立CAN通信控制器SJA1000、CAN总线驱动器PCA82C250构成。

当有两个或多个CAN节点时，可构成一个CAN互联网络，网络中的任一节点均可向其他节点发送报文，网络中的任一节点也可向其他节点发送远程请求帧，请求对方发送本节点所需的报文。

1.CAN总线控制器

SJAl000是一个独立的控制器，有两种不同的模式。

（1）BasicCAN模式：

系统上电后默认的模式，与PCA82C200兼容。

（2）PeliCAN模式：

支持CAN2.0B协议规定的所有功能。

SJAl000的内部结构如图1所示，其功能模块主要有：

接口管理逻辑、接收FIFO队列、接收滤波器、发送缓冲器和CAN核心模块。

CAN核心模块基于CAN2.0B的协议执行对CAN帧的发送和接收。

逻辑管理接口实现与外部单片机的连接。

SJAlO00的发送缓冲器可以存储一个完整的报文，当单片机开始一个传送时，逻辑管理接口会使CAN核心模块读发送缓冲器的数据，依照CAN2.OB协议发送数据。

当收到一个报文时，CAN核心控制模块将连续的位转换为标准的数据存放于接收过滤器中，通过验收码寄存器、验收屏蔽寄存器进行过滤处理，将符合标志位要求的数据放人接收FIF0队列中。

以下为SJA1000芯片的特点：

●管脚及电气特性与独立CAN总线控制器PCA82C200兼容；

●软件与PCA82C200兼容（缺省为基本CAN模式）；

●扩展接收缓冲器（64字节FIFO）；

●支持CAN2.0B协议；

●同时支持11位和29位标识符；

●位通讯速率为1Mbits/s;

●增强CAN模式（PeliCAN）;

●采用24MHz时钟频率；

●支持多种微处理器接口；

●可编程CAN输出驱动配置；

●工作温度范围为-40～+125℃。

SJA1000内部结构图

从芯片的结构图中可以看出，SJA1000型独立CAN总线控制器由以下几部分构成；

（1）接口管理逻辑：

它接收来自微处理器的命令，控制CAN寄存器的地址，并为微处理器提供中断和状态信息。

（2）发送缓冲器：

有13字节长。

它位于CPU和位流处理器（BSP）之间，能存储一条将在CAN总线上发送的完整的报文，报文由CPU写入，由SBP读出。

（3）接收缓冲器（RXB、RXFIFO）：

它是CPU和接收滤波器之间的接口，用来存储从CAN总线接收并通过了滤波的报文。

接收缓冲器RXB是提供给CPU可访问的13字节的窗口，这个窗口是属于接收FIFO（RXFIFO）的一部分，共由64字节长。

有了这个FIFO，可以在CPU处理一个报文的同时继续接收其他到来的报文。

（4）接收滤波器：

它把报文头中的标识符和接收滤波寄存器中的内容进行比较，以判断文报文是否被接收。

如果被接收，报文存入RXFIFO。

（5）位流处理器：

它是一个控制发送缓冲器、RXFIFO并行数据和CAN总线（串行数据）之间数据的序列发生器，同时它也执行错误检测、仲裁、位填充和CAN总线错误处理功能。

（6）位定时逻辑不：

它将SJA1000同步于CAN总线上的位流。

（7）错误管理逻辑：

它按照CAN协议完成错误界定。

SJA1000引脚图

SJA1000的引脚排列如图1所示，主要引脚的功能如下所述：

AD7－AD0：

地址数据复用线。

ALE/AS：

ALE输入信号（Intel模式）或AS输入信号（Motorola模式）。

CS：

片选信号，低电平允许访问SJA1000。

RD/E：

来自微控制器的RD信号（Intel模式）或E使能信号（Motorola模式）。

WR：

来自微控制器的WR信号（Intel模式）或RD/WR使能信号（Motorola模式）。

CLKOUT：

SJA1000产生用于微控制器的时钟输出信号；时钟信号由内置晶体振荡器通过可编程除法器产生；时钟除法寄存器中的时钟停止位能使该引脚无效。

VDD1和VSS1：

逻辑电路5V电源和逻辑电路地。

XTAL1：

晶体振荡器放大器输入，外部晶体振荡器信号由该脚输入。

XTAL2：

晶体振荡器放大器输出，当使用外部晶体振荡器信号时，该输出引脚必须开路。

MODE：

模式选择输入：

1=Intel模式；0=Motorola模式。

VDD3和VSS3：

输出驱动5V电源和输出驱动器接地。