自動(dòng)化開題報(bào)告

時(shí)間：2024-06-20 07:17:57 開題報(bào)告我要投稿

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題目：基于以太網(wǎng)的礦用通信分機(jī)的設(shè)計(jì)

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　　一、本課題的研究目的和意義

　　隨著我國(guó)煤礦行業(yè)整體的技術(shù)進(jìn)步，機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化等方面的發(fā)展，特別是井下綜采機(jī)、數(shù)字化自動(dòng)控制設(shè)備越來越多地投入到生產(chǎn)當(dāng)中，功能完善的井下通信系統(tǒng)變得越來越重要了。如果沒有好的通信系統(tǒng)，那么就會(huì)產(chǎn)生信息孤島問題�，F(xiàn)代化的設(shè)備，其數(shù)字化程度非常高，如果沒有現(xiàn)代化的通信網(wǎng)絡(luò)支持，其效能就不會(huì)得到最大的發(fā)揮。因此，研究現(xiàn)代煤礦井下通信系統(tǒng)的特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)非常重要，這對(duì)于指導(dǎo)煤礦信息化工作有著直接的意義。隨著我國(guó)研究PIC技術(shù)的發(fā)展，對(duì)通信技術(shù)的要求也越來越高，本課題針對(duì)井下工作通信不暢這一情況，對(duì)井下通信系統(tǒng)進(jìn)行研究。礦井通信系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度、安全避險(xiǎn)和應(yīng)急救援的必要工具，基于以太網(wǎng)的礦用通信分機(jī)的研究可以實(shí)現(xiàn)礦井下的通信及數(shù)據(jù)傳輸，將頂板壓力測(cè)試數(shù)據(jù)及離層分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄�，使管理者能更好的安排井下工作。通過此通信分機(jī)，可以提高礦井工作效率，增加煤礦的產(chǎn)量，保證工作人員的安全。

　　二、本課題的主要研究?jī)?nèi)容(提綱)

　　該基于以太網(wǎng)的礦用通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能有：將上一級(jí)對(duì)頂板壓力進(jìn)行檢測(cè)，離層分析的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過RS-485總線的通信接口傳給帶有以太網(wǎng)的PIC18F97J60系列的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與傳遞，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在AT24C512中，PIC18F97J60含有以太網(wǎng)通信模塊，通過光纖交換機(jī)，把數(shù)據(jù)傳到井上監(jiān)控中心。此外還接有簡(jiǎn)單按鍵和128×64的液晶顯示器組成的人機(jī)接口，以便于設(shè)置井下系統(tǒng)。在用RS-485總線傳輸時(shí)，需要用到MAX485，它是用于RS-485通信的低功耗收發(fā)器。MAX485的驅(qū)動(dòng)器擺率不受限制, 可以實(shí)現(xiàn)最高2.5Mbps的傳輸速率。驅(qū)動(dòng)器具有短路電流限制，接收器輸入具有失效保護(hù)特性;傳輸過程中，為了增加通信距離有效地抑制系統(tǒng)噪聲，需在RS-485基礎(chǔ)上加上光電隔離;對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用AT24C512,它是512K位(64K×8位) 大容量電可擦的可編程存儲(chǔ)器的EEPROM，符合雙向數(shù)據(jù)傳送I2C協(xié)議，具有硬件寫保護(hù)和軟件數(shù)據(jù)保護(hù)功能;為實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集以及對(duì)監(jiān)測(cè)裝置的校時(shí)功能，采用PCF8563實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出和掉電檢測(cè)器，地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行傳遞到單片機(jī)，每次讀寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量，為單片機(jī)再次寫入數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備;電源采用LM317三端可調(diào)節(jié)輸出正電壓穩(wěn)壓器作為通信分機(jī)的供電電源，其輸出電壓為1.2V-37V能夠提供超過1.5A的電流，此外還是用內(nèi)部限流、熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償使之基本能防止燒斷保險(xiǎn)絲，在此系統(tǒng)中，要求供電電壓為3.3V;單片機(jī)采用帶有以太網(wǎng)的PIC18F97J60單片機(jī)，它繼承了PIC18單片機(jī)的傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)(即出色的計(jì)算性能、豐富的功能集)，它的所有器件可提供5個(gè)不同的振蕩器選項(xiàng)，內(nèi)部振蕩器模塊還提供了一個(gè)穩(wěn)定的參考源，增加了故障保護(hù)時(shí)鐘監(jiān)視器、雙速啟動(dòng)功能以使器件更安全地工作，它還能夠進(jìn)行SPI 和I2C (主和從)模式操作。

　　三、文獻(xiàn)綜述(國(guó)內(nèi)外研究情況及其發(fā)展)

　　通過通信方式傳送數(shù)據(jù)信息, 其歷史可追溯到20世紀(jì)20年代;到20世紀(jì)代, 低頻高壓電力線通信技術(shù)已廣泛用于監(jiān)控、遠(yuǎn)程指示、設(shè)備保護(hù)以及語(yǔ)音傳輸域;20 世紀(jì) 50年代后至 90年代早期的 30 多年, 電力線載波通信開始應(yīng)用在中壓壓電網(wǎng)上, 其開發(fā)工作主要集中在電力線自動(dòng)抄表、電網(wǎng)負(fù)載控制和供電管理等領(lǐng)0 世紀(jì)90年代后期至今, 電力線載波通信開始研發(fā)Internet應(yīng)用產(chǎn)品, 并取得試驗(yàn)。黨的十七*報(bào)告指出要發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，大力推進(jìn)信息化與工業(yè)化融合。

　　在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，終端數(shù)據(jù)到中心處理系統(tǒng)的傳輸在現(xiàn)在的技術(shù)可以選用以下幾種方式：無線傳輸、電力線載波、公眾電話網(wǎng)傳輸和Internet傳輸。通常按照傳輸方式的不同，將數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)分為以下幾類：無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于電力載波的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于嵌入式Internet技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于公共電話網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　近年來，煤礦井下機(jī)械化數(shù)字化設(shè)備越來越多，安全生產(chǎn)的要求越來越嚴(yán)格，必然地要求提高井下的信息化程度。各種傳感器、控制設(shè)備越來越多，那么，是每種要求單獨(dú)鋪設(shè)一套通信系統(tǒng)，還是用一個(gè)綜合的通信系統(tǒng)完成所有的信息傳輸工作就成為一個(gè)重要的問題。從實(shí)用性和成本控制的角度去考慮，寬帶的、綜合的通信能力是未來井下通信系統(tǒng)所必須具備的，其關(guān)鍵點(diǎn)在：

　　1、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像同時(shí)傳輸能力，將來還有控制信息的傳輸

2、光纖、電纜、無線的綜合使用

3、使用TCP/IP協(xié)議

　　隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，井下通信設(shè)備和井下通信技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，基于以太網(wǎng)的礦用通信分機(jī)的設(shè)計(jì)就顯得非常重要。煤礦現(xiàn)代化水平的不斷提高，信息化礦井的不斷完善，使通訊裝備的配置越來越引起人們的關(guān)注，原有的通訊設(shè)施越來越滿足不了工業(yè)生產(chǎn)的需求，于是各種各樣的通信方式成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，更高更新的通訊技術(shù)成為人們競(jìng)相追逐的目標(biāo)。國(guó)內(nèi)煤礦通信采用全雙工通信技術(shù), 交換機(jī)端口間兩根光纖可以同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀, 這樣任一節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文幀時(shí)不會(huì)再發(fā)生碰撞, 沖突域也就不復(fù)存在。通過降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率, 可以使傳統(tǒng)共享式工業(yè)以太網(wǎng)上的碰撞大大降低。

　　隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，使控制由原來的人工記錄變?yōu)楝F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄、自動(dòng)控制。尤其是單片機(jī)的迅猛發(fā)展，使單片機(jī)能夠使用到我們的日常生活中。單片機(jī)將中央處理器、程序儲(chǔ)存器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、并行串行輸入輸出口和中斷部件等單元集成在一個(gè)芯片上，使系統(tǒng)的體積縮小，價(jià)格便宜，性能可靠，并且PIC18系列單片機(jī)內(nèi)部含有以太網(wǎng)控制器，以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)有：應(yīng)用廣泛，它是應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎所有的編程語(yǔ)言如Visual C++、Java、Visual Basic等都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā);通信速率高，目前，10、100 Mb/s的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用，1Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線最高速率只有12Mb/s(如西門子Profibus-DP)。顯然，以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線要快的多，完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長(zhǎng)的帶寬要求;資源共享能力強(qiáng)，隨著Internet的發(fā)展，以太網(wǎng)已滲透到各個(gè)角落，網(wǎng)絡(luò)上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，在聯(lián)人互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)上就能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“控管一體化”，這是其他任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線都無法比擬的;可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ�，以太網(wǎng)的引人將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能性，用戶在技術(shù)升級(jí)方面無需獨(dú)自的研究投入，對(duì)于這一點(diǎn)，任何現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)都是無法比擬的。同時(shí)，機(jī)器人技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展都要求通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的帶寬和性能，通信協(xié)議有更高的靈活性，這些要求以太網(wǎng)都能很好地滿足。

　　一方面，通信基本理論告訴我們，寬帶綜合系統(tǒng)比之窄帶系統(tǒng)(或單一功能系統(tǒng))，在保證同等通信質(zhì)量的前提下，其所需要的能量更多;可是另一方面，設(shè)備本安設(shè)計(jì)的要求是：“使用的能量要越低越好，要低到某個(gè)限制值以下”。這時(shí)候矛盾就顯現(xiàn)出來了，設(shè)備又要設(shè)計(jì)成本安又要設(shè)計(jì)成寬帶，又要能量高才行又必須低于某個(gè)限制值，這個(gè)矛盾非常尖銳。解決這個(gè)矛盾對(duì)于工程技術(shù)人員來說是個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，在未來幾年中這個(gè)挑戰(zhàn)都將一直存在，所有開發(fā)煤礦井下通信系統(tǒng)的工程師都會(huì)碰到這個(gè)問題。

　　四、擬解決的關(guān)鍵問題

　　1、RS-485通信問題

　　將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過RS-485總線的通信接口傳輸過程中，為了增加通信距離有效地抑制系統(tǒng)噪聲，降低誤碼率，需在RS-485基礎(chǔ)上加上光電隔離，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。

　　2、通信協(xié)議的建立

　　在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域內(nèi),長(zhǎng)期以來使用RS-232 通信標(biāo)準(zhǔn),但它卻是一種低數(shù)據(jù)速率和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，并且傳輸距離較短，無法很好滿足礦用設(shè)備的要求，因此本系統(tǒng)采用傳輸距離較長(zhǎng)且可以多點(diǎn)通訊的RS-485通訊標(biāo)準(zhǔn)。與通信分機(jī)通信穩(wěn)定程度決定了此監(jiān)控系統(tǒng)的完整性、可靠性，利用RS-485通信的穩(wěn)定性問題是需要解決的關(guān)鍵問題。

　　3、TCP/IP協(xié)議棧的建立和實(shí)現(xiàn)

　　TCP/IP協(xié)議棧的建立，即要實(shí)現(xiàn)了ARP、IP、TCP及UDP等功能，在單片機(jī)

　　內(nèi)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議時(shí)，應(yīng)從四個(gè)方面考慮其是否合理：是否提供易用的底層硬件API。即與硬件平臺(tái)的無關(guān)性;占用的系統(tǒng)資源是否在可接受范圍內(nèi);對(duì)于應(yīng)用系統(tǒng)的支持程度;是否有裁減優(yōu)化的空間。

　　4、以太網(wǎng)通信的硬件連接

要使以太網(wǎng)通信順暢，連接方便，單片機(jī)PIC18F97J60通過I2C總線連接時(shí)鐘電路PCF8563(實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集以及對(duì)監(jiān)測(cè)裝置的校時(shí)功能)、AT24C512(實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ))、LM317(三端可調(diào)節(jié)輸出正電壓穩(wěn)壓器作為通信分機(jī)的供電電源)等硬件。

　　5、電源管理

　　電源電路是系統(tǒng)中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)采用礦用防爆兼不間斷電源供電。它的工作原理為127V交流電源經(jīng)由變壓器降壓后經(jīng)整流、濾波及穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，輸出穩(wěn)定的5V及3.3V直流電壓。由于是在井下作業(yè)，整個(gè)電路采用本安型電路設(shè)計(jì)，確保設(shè)備的安全工作。

　　6、人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)

　　為能使用戶進(jìn)行人機(jī)操作，方便用戶控制，所以裝有簡(jiǎn)單按鍵和128×64的液晶顯示器組成的人機(jī)接口，以便于設(shè)置井下系統(tǒng)。

　　五、研究思路和方法

　　本次設(shè)計(jì)使用了以內(nèi)置以太網(wǎng)控制器的PIC18F97J60系列的單片機(jī)為控制核心，對(duì)頂板壓力監(jiān)測(cè)及離層分析數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和傳送。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在AT24C512中，單片機(jī)通過I2C總線接口連接時(shí)鐘電路PCF8563，通過接口連接網(wǎng)線，再經(jīng)過交換機(jī)，從而把數(shù)據(jù)傳到井上監(jiān)控中心。此外還連接有簡(jiǎn)單按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘電路及其他器件的控制，128×64的顯示器，以供方便控制器件的運(yùn)行修改，通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，這樣周而復(fù)始的巡檢，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力等數(shù)據(jù)變化。本系統(tǒng)自動(dòng)化程度較好，控制精度較高。

　　六、本課題的進(jìn)度安排

　　第三周：課題分析

　　第四周：開題報(bào)告

　　第五、六周：方案論證

　　第七、八周：硬件電路的設(shè)計(jì)

　　第九、十周：軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　第十一、十二周：電路調(diào)試

　　第十三、十五周：畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

　　第十六周：準(zhǔn)備畢業(yè)答辯

　　七、參考文獻(xiàn)

　　[1] 楊衛(wèi)英,鄭國(guó)莘,溫濤.以太網(wǎng)在礦用傳感器通信中的應(yīng)用煤礦設(shè)計(jì)[J] .煤礦設(shè)計(jì),1996(10)：78-81.

　　[2] 孫繼平,李濟(jì)生,雷淑英.煤礦井下無線通信傳輸信號(hào)最佳頻率選擇[N]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005-3-26(8).