礦用排水監控系統的分析

徐維澤,程 海,燕 斌,王昊星,孫 樂

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安，710077）

0 引言

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

同時，上位機顯示界面采用SQL數據庫與Delphi,C#進行設計，界面友好，易于操作。不僅能實時顯示數據變化，而且還能對數據進行存儲，繪制曲線，打印報表等，當發生故障時，還可以及時進行聲光報警等。

綜上，從功能方面考慮，該系統上位機與下位機均已達到煤礦要求，從安全方面考慮，根據國家煤礦安全標準，對其所規定的監測項目進行相關實驗，實驗結果表明系統在惡劣條件下工作安全穩定，因此該系統不僅在功能上滿足要求而且在安全性能上也滿足要求，為煤礦的安全生產提供強有力的保證。

1 礦用排水監控系統整體結構

礦用排水監控系統在設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、主機與從機模塊、上位機顯示模塊組成，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

主機的功能為：向從機發送命令，命令主要分為三種：1、控制從機采集數據時間間隔；2、控制水泵啟停；3、選擇從機編號。

從機功能為：采集4-20mA信號并對所采集的信號進行判斷，若達到上限值則進行啟泵操作。

CAN通訊模塊的功能為：將串口232協議轉換成CAN信號協議，它是不同協議之間轉換的一個橋梁。

其整體工作流程為：首先，上位機通過主機與CAN通信模塊向從機發送命令，即選擇從機編號，當對應從機收到命令后則進行電信號采集，采集后進行判斷比較，如果達到上限則開啟水泵抽水，直到抽取到設定下限位置，相應的數據會通過CAN通信模塊與主機返回給上位機。流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖

同時，上位機將接收到的數據存入SQL數據庫中進行保存，在主顯示界面實時在線顯示水壓、溫度、流量等數據信息，根據用戶需要也可用曲線的方式進行顯示，并進行報表打印。

主機從機控制器如圖3所示。

圖3 主從控制器

2 礦用排水監控系統的硬件設計

2.1 ATmega16 的結構和性能特點

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

其主要的優點為：

1）芯片本身自帶1kB的SRAM 數據存儲器、16kBFlash程序存儲器、512B的EEPROM。

2）集成豐富的外設，看門狗電路、I2C、SPI、RTC以及8 通道10 位A/D轉換、PWM發生器等；

3）I/O驅動能力強，可直接驅動LED。

4)采用RISC指令系統CPU，采用哈佛結構的流水線技術。

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

通過鍵盤模塊設置相關參數，如傳感器線長、水位標高等，并將這些工作參數存儲于Atmega16的數據存儲器中。當下次使用時,不需要用戶再次輸入相關參數,使該系統具有記憶功能。

顯示模塊采用PC機，正常運行時顯示水位、溫度、流量、電源供電情況、串口使用以及波特率的設置情況。發生故障時以模塊化進行顯示、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行維修，并且當串口線接觸不嚴的情況下，采用聲光報警，以提醒人們進行連接。

2.4 I/O隔離模塊

IDP1404LD是廣州周立功推出的數據通道和電源通道雙隔離的I/O隔離模塊（IDP系列）。根據其自身的特點主要應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，體積小巧、使用溫度范圍寬，簡單易用等特點，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收發芯片，該芯片內部集成了所有必需的CAN隔離及收、發器件，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。內部采用電磁隔離技術，實現4-20mA標準信號的高精度線性度隔離。模塊內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3000V DC，精度和線性度達到0.1%。其電路原理圖以ZCM2001D為例如圖6所示。

圖6 信號調理模塊原理圖

2.7 硬件電路改進

1)針對電路接觸不嚴等問題，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，例如數字地和模擬地分開布線；電源線和地線獨占一層；采用0歐電阻進行隔離；合理配置去耦電容等。

圖7 水泵啟停中斷服務函數

2)針對微處理器死機、復位等問題，采取軟硬相結合的措施。硬件方面：采用光電隔離技術；軟件方面：關鍵出口驗證；設置標志位；在RAM中設定上電復位標志；對通信發送指令等采用指令冗余技術。

3 礦用排水監控系統的軟件設計

3.1 下位機主程序設計

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

圖8 啟泵狀態檢測函數

圖9 主程序流程圖

其主程序流程為：首先，單片機各個I/O口初始化，AD采集數據，然后對CAN總線發來的信息進行判斷，如果啟泵標識位為1，則開始啟泵狀態檢測，檢測狀態如果正常則發送采集到的數據給主機，如果水泵狀態異常則進行停泵操作，如果停泵標識符為1，則進行停泵操作，然后發送數據給主機，最后判斷采集到的數據是否達到水位上限值，如果到了則進行啟泵操作，然后啟泵狀態檢測，正常則發送數據，故障則停泵。

3.2 上位機顯示模塊程序

系統軟件基于Windows NT多任務、多線程操作系統的圖形用戶軟件，系統軟件功能強大，適用性強，操作簡單，界面友好。系統采用Microsoft 基于Windows NT數據庫系統 SQL Server管理和維護現場實時監測數據，系統具有極高的可靠性和運行效率。系統可方便地擴展到多級管理模式，擴大系統的應用范圍。系統實時性強，因對所有的監測數據進行數據庫管理，系統提供快捷、方便、靈活的報表打印功能以及相應的數據備份、恢復等高級數據庫管理功能。如圖10所示：

4 結語

本次設計，以模塊化的思想對電路進行設計，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、上位機顯示模塊等，經過實驗室3個月的實驗，期間沒有出現故障現象，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研究主題，為后續現場實驗奠定基礎。

圖10 上位機界面

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

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