礦用排水監(jiān)控系統(tǒng)的分析

徐維澤,程 海,燕 斌,王昊星,孫 樂

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安，710077）

0 引言

近年來，隨著我國煤炭行業(yè)的迅猛發(fā)展，在追求煤炭高產(chǎn)量的同時礦井災(zāi)害的預(yù)防也顯得愈發(fā)的迫切，在災(zāi)害事故中透水事故占煤礦易發(fā)事故比例較大，因此合理有效的預(yù)防透水事故發(fā)生是保護(hù)工人安全作業(yè)的重要保證，其中對于鉆孔水壓、溫度，以及明渠流量與管道流量的監(jiān)測是預(yù)防透水事故發(fā)生的重要指標(biāo)。因此本篇論文以精確測量鉆孔水壓為核心，通過對水壓參數(shù)的監(jiān)測，間接控制水箱中潛水泵的啟停狀態(tài)，達(dá)到水文監(jiān)測與控制的雙重目的。

同時，上位機(jī)顯示界面采用SQL數(shù)據(jù)庫與Delphi,C#進(jìn)行設(shè)計，界面友好，易于操作。不僅能實時顯示數(shù)據(jù)變化，而且還能對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，繪制曲線，打印報表等，當(dāng)發(fā)生故障時，還可以及時進(jìn)行聲光報警等。

綜上，從功能方面考慮，該系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)均已達(dá)到煤礦要求，從安全方面考慮，根據(jù)國家煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)，對其所規(guī)定的監(jiān)測項目進(jìn)行相關(guān)實驗，實驗結(jié)果表明系統(tǒng)在惡劣條件下工作安全穩(wěn)定，因此該系統(tǒng)不僅在功能上滿足要求而且在安全性能上也滿足要求，為煤礦的安全生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的保證。

1 礦用排水監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

礦用排水監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計上采用了模塊化思想,由傳感器模塊（水壓、溫度、流量）、信號采集模塊、CAN總線通訊模塊、電源模塊、I/O隔離模塊、主機(jī)與從機(jī)模塊、上位機(jī)顯示模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主機(jī)的功能為：向從機(jī)發(fā)送命令，命令主要分為三種：1、控制從機(jī)采集數(shù)據(jù)時間間隔；2、控制水泵啟停；3、選擇從機(jī)編號。

從機(jī)功能為：采集4-20mA信號并對所采集的信號進(jìn)行判斷，若達(dá)到上限值則進(jìn)行啟泵操作。

CAN通訊模塊的功能為：將串口232協(xié)議轉(zhuǎn)換成CAN信號協(xié)議，它是不同協(xié)議之間轉(zhuǎn)換的一個橋梁。

其整體工作流程為：首先，上位機(jī)通過主機(jī)與CAN通信模塊向從機(jī)發(fā)送命令，即選擇從機(jī)編號，當(dāng)對應(yīng)從機(jī)收到命令后則進(jìn)行電信號采集，采集后進(jìn)行判斷比較，如果達(dá)到上限則開啟水泵抽水，直到抽取到設(shè)定下限位置，相應(yīng)的數(shù)據(jù)會通過CAN通信模塊與主機(jī)返回給上位機(jī)。流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖

同時，上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行保存，在主顯示界面實時在線顯示水壓、溫度、流量等數(shù)據(jù)信息，根據(jù)用戶需要也可用曲線的方式進(jìn)行顯示，并進(jìn)行報表打印。

主機(jī)從機(jī)控制器如圖3所示。

圖3 主從控制器

2 礦用排水監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 ATmega16 的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)

1997年，美國ATMEL公司挪威設(shè)計中心處于市場需求的考慮，將先進(jìn)的Flash技術(shù)與8051單片機(jī)集合從而推出了全新配置的精簡指令集8位單片機(jī)，簡稱為AVR單片機(jī)。ATmega16是該公司在2002年推出的一款新型AVR高檔單片微處理器。

其主要的優(yōu)點(diǎn)為：

1）芯片本身自帶1kB的SRAM 數(shù)據(jù)存儲器、16kBFlash程序存儲器、512B的EEPROM。

2）集成豐富的外設(shè)，看門狗電路、I2C、SPI、RTC以及8 通道10 位A/D轉(zhuǎn)換、PWM發(fā)生器等；

3）I/O驅(qū)動能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動LED。

4)采用RISC指令系統(tǒng)CPU，采用哈佛結(jié)構(gòu)的流水線技術(shù)。

2.2 電源模塊

由于井下要求為防爆電源，為127V交流電，所以選用深圳星德科技KDW0.1/660型號的電源，此電源輸出為18V與12V，18V為傳感器電源，12V為控制器電源，由于ATmega16、CTM8251T、SJA1000所需電壓均為5V，所以DC-DC模塊選擇MORNSUN公司的PWB2405CS-2W型號。

其外接電路如下：

C1、C2為10uF,Cout為100uF,根據(jù)實際情況此電阻可不接，3腳電路也可不接（R）

圖4 電源電路原理圖

2.3 鍵盤模塊和顯示模塊

通過鍵盤模塊設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如傳感器線長、水位標(biāo)高等，并將這些工作參數(shù)存儲于Atmega16的數(shù)據(jù)存儲器中。當(dāng)下次使用時,不需要用戶再次輸入相關(guān)參數(shù),使該系統(tǒng)具有記憶功能。

顯示模塊采用PC機(jī)，正常運(yùn)行時顯示水位、溫度、流量、電源供電情況、串口使用以及波特率的設(shè)置情況。發(fā)生故障時以模塊化進(jìn)行顯示、如AD模塊是否工作、電源模塊是否供電、通訊模塊是否正常等，以便于在出錯的情況下進(jìn)行維修，并且當(dāng)串口線接觸不嚴(yán)的情況下，采用聲光報警，以提醒人們進(jìn)行連接。

2.4 I/O隔離模塊

IDP1404LD是廣州周立功推出的數(shù)據(jù)通道和電源通道雙隔離的I/O隔離模塊（IDP系列）。根據(jù)其自身的特點(diǎn)主要應(yīng)用在輸入輸出需要信號隔離和電源隔離的情況，例如時鐘信號隔離，數(shù)字信號隔離，GPIO隔離。

IDP系列I/O隔離模塊具有隔離特性好，共模抑制能力強(qiáng)，體積小巧、使用溫度范圍寬，簡單易用等特點(diǎn)，其電路原理圖見圖5。

圖5 I/O隔離模塊原理圖

2.5 CAN通訊模塊

CAN通信模塊采用SJA1000+CTM8251T的芯片組合。CTM8251T是一款帶隔離通用CAN收發(fā)芯片，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及收、發(fā)器件，這些都被集成在不到3平方厘米的芯片上。芯片的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且有DC2500V的隔離功能。

2.6 信號采集模塊

ZCM2000系列隔離變送器，是一種前級4-20mA電流信號輸入，后級多種類型信號輸出的有源信號隔離變送器。內(nèi)部采用電磁隔離技術(shù)，實現(xiàn)4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號的高精度線性度隔離。模塊內(nèi)部嵌入一個高效微功率電源，可以向信號輸入級提供一路隔離電源。ZCM20XX系列模塊電源輸入、信號輸入、信號輸出與配電輸出相互隔離，隔離電壓高達(dá)3000V DC，精度和線性度達(dá)到0.1%。其電路原理圖以ZCM2001D為例如圖6所示。

圖6 信號調(diào)理模塊原理圖

2.7 硬件電路改進(jìn)

1)針對電路接觸不嚴(yán)等問題，采取PCB板代替實驗板，并在PCB制板過程中采取了抗干擾措施，例如數(shù)字地和模擬地分開布線；電源線和地線獨(dú)占一層；采用0歐電阻進(jìn)行隔離；合理配置去耦電容等。

圖7 水泵啟停中斷服務(wù)函數(shù)

2)針對微處理器死機(jī)、復(fù)位等問題，采取軟硬相結(jié)合的措施。硬件方面：采用光電隔離技術(shù)；軟件方面：關(guān)鍵出口驗證；設(shè)置標(biāo)志位；在RAM中設(shè)定上電復(fù)位標(biāo)志；對通信發(fā)送指令等采用指令冗余技術(shù)。

3 礦用排水監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 下位機(jī)主程序設(shè)計

礦用排水監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計也采用模塊化的思想，用C語言編程實現(xiàn)。軟件的各個功能模塊之間通過入口和出口參數(shù)相互聯(lián)系，可以縮短開發(fā)周期。以下分別為水泵啟停中斷服務(wù)函數(shù)如圖7所示、啟泵狀態(tài)檢測函數(shù)如圖8所示以及主程序流程圖如圖9所示。

圖8 啟泵狀態(tài)檢測函數(shù)

圖9 主程序流程圖

其主程序流程為：首先，單片機(jī)各個I/O口初始化，AD采集數(shù)據(jù)，然后對CAN總線發(fā)來的信息進(jìn)行判斷，如果啟泵標(biāo)識位為1，則開始啟泵狀態(tài)檢測，檢測狀態(tài)如果正常則發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)給主機(jī)，如果水泵狀態(tài)異常則進(jìn)行停泵操作，如果停泵標(biāo)識符為1，則進(jìn)行停泵操作，然后發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)，最后判斷采集到的數(shù)據(jù)是否達(dá)到水位上限值，如果到了則進(jìn)行啟泵操作，然后啟泵狀態(tài)檢測，正常則發(fā)送數(shù)據(jù)，故障則停泵。

3.2 上位機(jī)顯示模塊程序

系統(tǒng)軟件基于Windows NT多任務(wù)、多線程操作系統(tǒng)的圖形用戶軟件，系統(tǒng)軟件功能強(qiáng)大，適用性強(qiáng)，操作簡單，界面友好。系統(tǒng)采用Microsoft 基于Windows NT數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) SQL Server管理和維護(hù)現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性和運(yùn)行效率。系統(tǒng)可方便地擴(kuò)展到多級管理模式，擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。系統(tǒng)實時性強(qiáng)，因?qū)λ械谋O(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理，系統(tǒng)提供快捷、方便、靈活的報表打印功能以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)等高級數(shù)據(jù)庫管理功能。如圖10所示：

4 結(jié)語

本次設(shè)計，以模塊化的思想對電路進(jìn)行設(shè)計，分為信號采集模塊、can總線通訊模塊、電源模塊、I/O控制模塊、上位機(jī)顯示模塊等，經(jīng)過實驗室3個月的實驗，期間沒有出現(xiàn)故障現(xiàn)象，但測量精度上有較小波動，有效減小誤差可以作為我們后續(xù)研究主題，為后續(xù)現(xiàn)場實驗奠定基礎(chǔ)。

圖10 上位機(jī)界面

[1]潘朝霞,殷慧中,王毅.基于Atmega16 單片機(jī)的電磁敏感測量系統(tǒng)的研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用 ,2005,24(2):63～65.

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