瓦斯抽采泵的綜合狀態(tài)監(jiān)測平臺設(shè)計(jì)

沈金強(qiáng)

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，太原 030052）

0 引言

煤礦瓦斯通常以吸附和游離狀態(tài)存在于煤體及圍巖中，當(dāng)?shù)V井內(nèi)瓦斯與氧濃度達(dá)到爆炸極限時(shí)，極易因明火引爆造成嚴(yán)重的煤礦安全事故[1]。在相關(guān)政策的扶持下，目前國內(nèi)相關(guān)煤礦對瓦斯抽采泵站的自動(dòng)化改造正在如火如荼地開展[2]。本文主要設(shè)計(jì)方案以及研究重點(diǎn)集中在被測量的采集方式、通訊方式、處理方法上，將瓦斯?jié)舛?、泵體震動(dòng)、環(huán)境溫度，環(huán)境濕度以及空間位置作為監(jiān)測對象，設(shè)計(jì)了完整的通訊電路、儲存電路、AD轉(zhuǎn)換電路等。

1 監(jiān)測總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

煤礦瓦斯抽采泵自動(dòng)化系統(tǒng)包含：上位機(jī)及軟件、網(wǎng)絡(luò)（通訊）接口、傳感器系統(tǒng)以及控制器系統(tǒng)。工作特點(diǎn)：暴露環(huán)境的瓦斯?jié)舛葹榫伦罡咧怠⒈皿w維護(hù)較難、維修工作地點(diǎn)距離較遠(yuǎn)。其中工作的設(shè)備和軟件共同作用，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽放管道、設(shè)備環(huán)境等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)控制[3]。同時(shí)在保證被監(jiān)控設(shè)備的同時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)對于自身的工況也做了分析和監(jiān)測，保證自己不出現(xiàn)故障，不出現(xiàn)自身故障導(dǎo)致的連鎖反應(yīng)。

1.2 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

煤礦瓦斯抽采泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，控制應(yīng)用模塊的主控芯片選型為MSP430F5438A單片機(jī)，MCU的最小電流會在150μA以下，隨機(jī)存取存儲器保持模式下的最低功耗只有0.1μA。在無限距離通訊過程中采用的是Zigbee技術(shù)，傳輸至總機(jī)后遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸中采用RS-485通訊協(xié)議，通過差分信號邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，引號輸送的最遠(yuǎn)距離在波特率為9 600 h可以達(dá)到1 500 m，在井道布線中，采用帶屏蔽隔離雙絞線作為總線，將各個(gè)主要工作節(jié)點(diǎn)連接起來使得整個(gè)礦井構(gòu)建一個(gè)全方位立體的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)數(shù)據(jù)流到達(dá)終端時(shí)，將協(xié)議電平方式換為常用的USB。方便微機(jī)系統(tǒng)的接入，建立其相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

系統(tǒng)按照功能模塊可以分為采集計(jì)量檢測模塊、系統(tǒng)自身監(jiān)測模塊、環(huán)境檢測模塊、遠(yuǎn)程通訊模塊、控制應(yīng)用模塊，其模塊構(gòu)成如圖1中所示。

圖1 系統(tǒng)模塊組成圖

該套檢測系統(tǒng)中，井下的無線通訊為Zigbee通訊方式，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫時(shí)的方式為485總線。圖2所示礦井下通訊示意圖。其中的3個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)代表了整個(gè)礦井的檢測網(wǎng)絡(luò)，瓦斯監(jiān)測路由是通向地面的總線。這樣無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合有線網(wǎng)絡(luò)的方式降低了數(shù)據(jù)丟失和故障引起的連鎖反應(yīng)。

圖2 通訊方式示意圖

2 監(jiān)測平臺系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器選型

控制應(yīng)用模塊采用的MCU選型為MSP430F5438A單片機(jī)，它本身具有優(yōu)質(zhì)、優(yōu)秀的尋址方式（5種以上源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、精簡指令集，主要體現(xiàn)在其內(nèi)部簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令。此單片機(jī)的處理能力十分強(qiáng)大，并且運(yùn)算速度很快，在工作時(shí)可以保證低功耗的要求，片內(nèi)資源豐富，具有便捷高效的開發(fā)環(huán)境。此單片機(jī)可以在-40～+80℃的工作環(huán)境中正常運(yùn)作，達(dá)到了礦井工作現(xiàn)場對MCU的溫度要求。

2.2 采集計(jì)量檢測模塊報(bào)警電路設(shè)計(jì)

在瓦斯抽采泵的檢測計(jì)量預(yù)警系統(tǒng)中，抽采泵的電機(jī)電流、電壓、溫度、抽采泵內(nèi)壓力等重要參數(shù)被監(jiān)測。通過對所采集回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷其是否處于正常數(shù)值范圍內(nèi)，決定報(bào)警器是否有必要發(fā)出報(bào)警信號。

圖3為本系統(tǒng)所采用的聲光報(bào)警器設(shè)計(jì)的電路原理圖，它由信號放大單元，使能單元等部分組成。表1所示為所用主要傳感器參數(shù)。其中包含了紅外甲烷傳感器、溫度傳感器、V型錐流量傳感器、開停傳感器、供水傳感器、液位傳感器、本安型可編程控制箱，多傳感融合的綜合檢測站。

2.3 遠(yuǎn)程通訊模塊的設(shè)計(jì)

在各個(gè)國家的礦業(yè)生產(chǎn)中，礦井下的通訊主要是無線通訊。因?yàn)樽呔€復(fù)雜且不易維修，此時(shí)無線通信的優(yōu)點(diǎn)突出。礦區(qū)各個(gè)瓦斯抽采泵傳感器節(jié)點(diǎn)連接成的監(jiān)測點(diǎn)組成的整張網(wǎng)絡(luò)由Zigbee無線技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)互連起來，其具有安全系數(shù)高、平臺搭建靈便、調(diào)整性好。瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑捎肐R14BD，該款傳感器的功耗在同類型產(chǎn)品中最低，所達(dá)到的能源消耗最小，適合礦井的工況條件。

瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用RS-485通訊協(xié)議，具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。芯片選型為MAX1485，該芯片是馬克西姆公司生產(chǎn)的專門用于RS-485通訊的芯片，靜態(tài)電流0.3 mA。這些收發(fā)器在驅(qū)動(dòng)器禁用的空載或滿載狀態(tài)下，吸取的電源電流0.12～0.5 mA。

圖3 報(bào)警電路原理圖

表1 傳感器參數(shù)

通往數(shù)據(jù)終端的通訊電路設(shè)計(jì)如圖4所示，MSP430F5438a單片機(jī)的R01、TX0引腳分別接MAX485芯片的DI和R0引腳，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。MAX485芯片的二腳和三腳作為收發(fā)控制的引腳，并聯(lián)后接在單片機(jī)的引腳上，電平在2.7～3.3 V時(shí)，MCU發(fā)送數(shù)據(jù)；電平在0～1.2 V時(shí)，MCU接收數(shù)據(jù)。為了電平的穩(wěn)定性，將1個(gè)120Ω的無感電阻接在傳輸線A和傳輸線B之間。

2.4 采集計(jì)量檢測模塊設(shè)計(jì)

采集時(shí)控制芯片采用MSP430單片機(jī)，電壓模擬量可以通過A/D引腳直接進(jìn)行電壓采集，對于氣體傳感器的部分模擬量輸入的傳感器，需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。AD轉(zhuǎn)換芯片選擇為ADS1232，ADS1232具有高達(dá)24.0的有效位，增益設(shè)置為64時(shí)，無噪聲分辨率可達(dá)19.2位[4-5]。由于MSP430的模擬量通道精度不夠，所以采用該款高精度芯片進(jìn)行模擬量的采集，該芯片有2種工作方式，一種是給它固定電平進(jìn)行采集，另外一種時(shí)通過電橋的相對電平確定所采集電壓的等級。

圖4 終端通訊電路

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

MSP430的程序需要通過IAR軟件進(jìn)行編程，主程序流程如圖5所示。監(jiān)測系統(tǒng)上電后，首先MCU中的寄存器清零，關(guān)看門狗。清中斷位，并對系統(tǒng)的A，B時(shí)鐘配置，對比較器設(shè)置，初始化采集轉(zhuǎn)換芯片ADS1232，數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)判斷是否需要出發(fā)聲光報(bào)警裝置，數(shù)據(jù)采集完成后需要對數(shù)據(jù)處理和儲存。通過比較器的協(xié)作，判定數(shù)據(jù)的范圍，確定機(jī)器設(shè)備實(shí)施的工作情況，確認(rèn)環(huán)境條件是否滿足繼續(xù)生產(chǎn)的需求，在檢測的同時(shí)達(dá)到準(zhǔn)確接收不丟失，保證數(shù)據(jù)的完整性[6-8]。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 VB軟件編程特點(diǎn)

VB用在傳統(tǒng)的工業(yè)控制上較多，其開發(fā)環(huán)境較簡單也較快捷?？梢栽赪indows操作系統(tǒng)系進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和前端界面的設(shè)計(jì)，用戶可以利用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，在窗口設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)多種不同功能的軟件的結(jié)合。在煤礦抽采泵綜合檢測系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)計(jì)中，通過VB后面板編寫程序前端設(shè)計(jì)界面，并導(dǎo)出應(yīng)用程序，安裝到現(xiàn)場的服務(wù)器總機(jī)上，就可以通過串口接收和顯示數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)絡(luò)云端。

3.2.2 上位機(jī)界面

瓦斯抽采綜合檢測系統(tǒng)上位機(jī)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)存儲的功能，上位機(jī)界面如圖6所示，根據(jù)數(shù)據(jù)通信的需求，可以選擇不同的網(wǎng)絡(luò)通行串口，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的處理中，可以直接導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫文件如下圖右側(cè)所示既可以顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也可以調(diào)出歷史數(shù)據(jù)方便查詢，將數(shù)據(jù)保存至云端。

圖5 程序執(zhí)行流程圖

圖6 上位機(jī)界面

4 結(jié)束語

煤礦瓦斯抽采泵綜合檢測系統(tǒng)在運(yùn)行中，必須具備反應(yīng)快，測量準(zhǔn)確，功耗低的特點(diǎn)。本文利用MSP430單片機(jī)為主要控制芯片設(shè)計(jì)瓦斯抽采泵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，旨在針對瓦斯抽采環(huán)節(jié)出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和保護(hù)，使得瓦斯抽采泵工作環(huán)境安全以及整個(gè)礦井的瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)。對系統(tǒng)中相關(guān)的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用VB程序設(shè)計(jì)相關(guān)上位機(jī)可視化GUI界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，存儲，調(diào)用，查詢以及后續(xù)的搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫。