煤炭注漿系統數據采集總體設計

王亞楠+宋海寬

摘 要：在煤炭開采中，為了更好地完成對水、電、煤等能源介質的調度和配置來達到節能降耗的目的以及對巖層注漿時運行狀態進行監測，我們就需要建立一套有效并且穩定的自動化信息獲取系統對煤礦生產過程中的壓力參數和機械參數等進行采集和處理。由于煤礦中生產設備復雜、需要測量的測點多，本文主要針對煤礦注漿過程中壓力測量展開研究，設計了煤炭注漿系統數據采集硬件部分為煤炭注漿工藝提供參考。

關鍵詞：嵌入式；數據采集；Modbus

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.075

在系統設計之前，首先要深入了解系統的總體構架、明確現場注漿系統的確切要求、需要解決的實際問題以及要實現的功能等等，只有這樣才能夠根據要求來確定系統的實現方案。

1 煤炭注漿系統數據采集監測平臺框架設計

在本系統方案中，基于ARM的嵌入式多功能數據采集裝置為系統的核心，并將采集到的壓力和流量等來自現場設備的數據經過一系列的數據處理后通過現場總線或者以太網傳輸至工作站進行監控和管理，同時還可將數據保存在數據庫服務器的實時歷史數據庫中，并且也可以通過Web服務器在煤礦的局域網內實現信息的發布。

嵌入式數據采集與監測系統可以通過串口、現場總線、工業以太網等通信方式從DCS、DEH、SIS、PLC、RTU等系統讀取現場設備各個測點的數據，并將數據通過Modbus總線傳輸至各個工作站。若利用串口進行數據的傳輸，嵌入式監測系統在Modbus網絡上的通信方式可以設置為兩種傳輸模式： ASCII模式或RTU模式；若利用TCP/IP以太網進行數據的傳輸，系統的通信采用Modbus/TCP協議[1]。

2 煤炭注漿系統數據采集系統的總體設計

煤層注漿考慮到了科學化、實效性強的特點，采集難度較高，開發高效的嵌入式硬件系統平臺是確保采集的數據準確和可靠的前提。本文設計的硬件總體設計框圖如圖1所示。

系統設計的是基于ARM的多功能數據采集裝置，采用32位嵌入式ARM內核的Cortex-M3系列微處理器作為硬件平臺的核心，從嵌入式技術在數據采集系統中的應用出發，考慮到嵌入式微處理器既要保證數據采集的準確性、穩定性和快速性，又要完成串口通信和網絡通信等功能，所以在選擇嵌入式微處理器的時候，就要求該嵌入式微處理器運行速度足夠快，同時又要能夠移植μC/OS-II嵌入式實時操作系統和嵌入式TCP/IP協議棧，且還需要一定容量的ROM和RAM[2]。

3 煤炭注漿系統外圍電路設計

系統的硬件電路不僅包括由基本的程序啟動模式設置電路、時鐘配置電路、復位電路、JTAG電路等組成的最小系統電路，還包括由電平轉換電路、信號處理和轉換電路、串行通信接口電路、以太網通信接口電路、數據采集單元地址設定電路和控制輸出電路等組成的外圍電路，系統的硬件設計采用模塊化設計的原則[3]。

3.1 信號處理和轉換電路

信號處理和轉換電路主要由前端信號處理電路、通道切換電路和數據采集電路組成。信號預處理電路完成的是將-5～+5V的直流電壓經過增益調整、電平變換等處理轉化為A/D轉換所允許的電壓范圍以及將熱電偶（TC）、熱電阻（RTD）輸出的毫伏級電壓信號或者電阻信號經過一些處理，如經過低通濾波、增益調整等處理后轉化為較大的電壓信號；通道切換電路完成的是將經過信號處理電路轉化后的電壓信號經過多路選擇開關CD4051完成對不同通道的選擇；數據采集電路完成的是將選中通道輸出的電壓經過電壓跟隨器后送入A/D轉換電路進行數據的采集。

3.2 控制輸出電路

在自動化系統中，經常需要對現場設備的物理量進行自動控制，如當溫度越限或者壓力過高時需通過控制閥門或者其他執行機構動作保持溫度和壓力在正常的范圍內，為此本系統設計了2路0～5V電壓模擬量輸出電路、2路4～20mA電流模擬量輸出電路，4路開關量輸出電路和4路繼電器輸出電路。

3.3 通信電路

為了盡可能地滿足工業現場的需求，同時為了方便今后系統通信協議的擴展，本文設計了2個RS232串行通信接口、1個RS485串行通信接口和1個以太網通信接口。STM32F107微處理器內部含有5個工業標準UART，為了防止因其中一個RS232串行接口異常而導致系統不能進行RS232串行通信，系統設計了2個RS232串行通信接口用作冗余，且設計時使用UART1和UART2。

4 結論

本章主要針對煤炭注漿系統數據采集系統進行了總體硬件設計，首先對嵌入式微處理器進行了必要性的選擇，接著對其外圍電路進行了簡單的設計，其中包括信號處理和轉換電路、控制輸出電路、通信電路等，全文給出了硬件總體設計的思路，為煤炭注漿數據采集監測系統提供了參考。

參考文獻：

[1]王琳，商周，王學偉.數據采集系統的發展與應用[J].電測與儀表，2004，41（08）：4-8.

[2]彭道剛，張浩，李輝等.基于Modbus協議的ARM嵌入式檢測平臺設計與實現[J].電力自動化設備，2009，29（01）：115-123.

[3]孫文.多通道數據采集系統的設計與實現[D]：[碩士學位論文]. 長沙：湖南大學，2013.

作者簡介： 王亞楠（1991-），男，河南平頂山人，碩士學位，學院在職老師，研究方向：高壓電絕緣。