礦山電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

李高清

（隴東學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000）

電氣自動化技術(shù)在礦山建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，實現(xiàn)了機電設(shè)備及配套設(shè)施的自動化控制，其中數(shù)據(jù)采集是電氣自動化正常運作的關(guān)鍵，電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)針對每一類要素獨立采集，克服地質(zhì)環(huán)境對自動化設(shè)備采集的影響，礦山中粉塵、振動以及氣候環(huán)境的潮濕性等，這些差異都會影響自動化設(shè)備做出及時的反饋信息，檢查礦山建設(shè)是否正常作業(yè)，檢測礦山工作位置是否出現(xiàn)故障，以及檢查電流電壓以及線路故障等，當?shù)V山建設(shè)中產(chǎn)生劇烈振動時，及時發(fā)出警報，從而保證技術(shù)人員的人身安全。

1 礦山電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 設(shè)計通訊接口電路

通訊接口電路是電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要硬件設(shè)備，用于調(diào)試系統(tǒng)內(nèi)部電路。本系統(tǒng)調(diào)試接口所選用的核心微處理器為TM4C123GXL開發(fā)板，是一款基于ARM Cortex-M4F內(nèi)核的微控制器，開發(fā)板輸出信號主要通過虛擬串口PA0、PA1進行輸出，配有USB 2.0器件接口和休眠模塊，通過RS-485總線及485轉(zhuǎn)232轉(zhuǎn)接頭，使通訊接口電路采用可堆疊接頭，可用于自定義應(yīng)用的可編程用戶按鈕，主頻80MHz，另配置256kB閃存以及32kB靜態(tài)內(nèi)存，將虛擬串口輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為485電平，從而完成與上位機的連接[1]。

TM4C123GXL開發(fā)板選用MAX485接口芯片進行電平轉(zhuǎn)換，當開發(fā)板卡連接通訊接口時，調(diào)試設(shè)備的同時提供一個虛擬串口，與開發(fā)板的PA1和PA0連接，自帶一個板上仿真接口ICDI，從而放大或縮小線圈輸入的電流電壓，通過整流濾波處理電路信號，對小信號進行放大。通訊接口的RO端口和DI端口分別作為接收器的輸出端和驅(qū)動器的輸入端，對礦山電氣進行采集的過程中，MAX485上A和B端口分別接收和發(fā)送信號端，進行濾波降噪以及信號整流，使MAX485工作在半雙工狀態(tài)，RE和DE端口作為使能端放大電路，引腳控制通訊調(diào)試接口的開發(fā)板，從而完成通訊接口電路的設(shè)計。

1.2 設(shè)計前端采集電路

在礦山電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，前端采集電路是采集電壓信號和電流信號的重要硬件設(shè)備，使系統(tǒng)電路具有更好的適配性和通用性。電路設(shè)計采用微控制器內(nèi)部12位ADC，對電壓型信號進行AD處理，實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換[2]。當采集電流信號時，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，當采集電壓信號時，將電壓信號進行分壓處理，從而擴展采集電壓的范圍，信號采集過程中，通過RC濾波器連入微控制器的ADC管腳，通過采集電路最前端的串聯(lián)電阻，區(qū)分電壓和電流信號。

前端對采集信號進行預(yù)處理，經(jīng)過電壓跟隨器流入后端，確保信號的質(zhì)量和采集的精度，并配置電壓跟隨器，使輸入阻抗較高、輸出阻抗較小，減小電路對輸入信號源內(nèi)部阻抗的影響，保證輸入阻抗達到幾兆歐姆或者幾十兆歐姆，從而起到緩沖隔離的作用，并且提高系統(tǒng)的帶載能力。保證采集電路輸入高阻抗、輸出低阻抗的特性，輸出阻抗通常低于幾歐姆，減小對后端處理電路的信號精度影響，起到阻抗匹配的作用，使得后一級的放大電路更好地工作，從而提高整體采集精度，從而完成前端采集電路的設(shè)計。

2 礦山電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 設(shè)計數(shù)據(jù)采集流程

設(shè)計礦山電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集流程，是系統(tǒng)軟件設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文系統(tǒng)采用ADCn端的模擬輸入連續(xù)跟蹤流程，對礦山電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)信息進行采集，對自動化設(shè)備數(shù)據(jù)信息進行取樣，啟動ADC的CNVSTR信號，當?shù)V山電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時，得到ADC轉(zhuǎn)換信號，以A/D轉(zhuǎn)換的跟蹤周期，決定其內(nèi)部的ADC選擇是否采用跟蹤采集方式。

當ADnTM位置為1時，系統(tǒng)內(nèi)部ADC開始進行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部模塊進行低功耗的跟蹤采集。至此完成電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程的設(shè)計。

2.2 設(shè)計數(shù)據(jù)采集指令

數(shù)據(jù)采集指令應(yīng)用于終端設(shè)備與控制機之間的通信，本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用AT模塊，識別多種數(shù)據(jù)采集指令。發(fā)送礦山電氣數(shù)據(jù)采集指令，最多可以接收1056個字符的長度，由終端設(shè)備主動向PC端報告的URC指示或者response響應(yīng)，每個AT命令行中只包含一條AT指令。具體配置指令如下表所示：

表1 數(shù)據(jù)采集指令配置

AT指令以回車作為結(jié)尾，從終端設(shè)備向數(shù)據(jù)電路終端發(fā)送控制指令，響應(yīng)以回車換行為結(jié)尾，從而進行數(shù)據(jù)采集指令的控制，至此完成電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計。結(jié)合硬件和軟件設(shè)計，完成電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計。

3 實驗論證分析

為保證系統(tǒng)設(shè)計的可行有效性，將本文設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行對比實驗。測試實驗平臺模擬了礦山建設(shè)中的電氣系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計采集信號電壓范圍輸入0～12V，電流范圍輸入0～20mA，設(shè)置礦山建設(shè)中常見的電氣系統(tǒng)故障，即線路阻抗故障，當故障發(fā)生時，對實驗平臺上測試點進行測試，從而提取該故障的采集數(shù)據(jù)。兩個系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集過程中，支持串行工業(yè)總線通信GSM無線通信，通過串口連接PC機，測試前設(shè)置好串行通信格式，通過PC端串口助手觀察系統(tǒng)對線路阻抗故障的數(shù)據(jù)采集情況，如圖所示。

圖1 串口接收故障數(shù)據(jù)情況

為保證實驗的準確性，共設(shè)置10次實驗，并記錄兩個系統(tǒng)測試時的故障診斷時間，其實驗結(jié)果如下表所示：

表2 實驗結(jié)果對比表

根據(jù)上表數(shù)據(jù)，可以計算出在10次測試實驗中，兩個系統(tǒng)對線路阻抗故障的平均診斷時間，傳統(tǒng)電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的故障診斷時間平均為7分23秒，本文設(shè)計系統(tǒng)的故障診斷時間平均為4分26秒，相比傳統(tǒng)系統(tǒng)縮短了2分57秒，驗證本文系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)語

本文針對礦山建設(shè)產(chǎn)生電氣故障，傳統(tǒng)系統(tǒng)診斷時間存在較大時延的問題，設(shè)計了一個礦山電氣自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過實驗論證，表明了該系統(tǒng)的可行有效性，提高了礦山電氣設(shè)備的管理工作效率。但本次實驗在細節(jié)上仍存在不足，只針對線路阻抗故障進行測試，而在礦山實際建設(shè)電氣系統(tǒng)中，故障類別更加多樣，因此在實際運用過程中，還需與礦山建設(shè)的實際情況相結(jié)合，加強深入研究試驗，保障自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用。