基于LPC1788的礦井排水控制系統設計

李 博

（霍州煤電集團團柏煤礦機電科， 山西 霍州 031400）

引言

目前，礦井下排水系統的控制有兩種方式：一種是排水用水泵的開關以及功能的選擇直接由相關的繼電器人為控制。這樣的系統不具有智能性，其缺點便是無法根據礦井下的實際水位或者是其他相關參數來控制水泵，很容易發生積水溢出或者是水泵空吸的情況。另一種是利用PLC作為控制器來控制水泵的啟停，這種控制方式具有一定的自動化效果，操作也比較方便。但存在控制器價格昂貴、可定制化程度低等缺點。對以上兩種控制方式綜合對比后本文設計了一套基于LPC1788的嵌入式控制系統，該系統既能夠實現自動化還具有較強的可定制性，成本也比較低，且具有良好的穩定性和控制效果[1]。

1 排水系統架構

圖1所示為排水系統的整體架構圖。從圖1中可以看出本系統共有5臺排水泵，采用的工作方式是兩用兩備一檢修。每臺水泵都有相關的配套設施。為了能夠具有突發水量應對能力設置了兩條排水的管道。水位信號能夠通過相應的傳感器來實時監測，并且將監測到的信號上傳到控制器。為了能夠保持整個系統安全穩定的運行還對用電設備比如說電機等參數以及物理參數進行實時監控，并將數據上傳到控制器。嵌入式控制系統根據上傳的傳感器數據來做出相應的控制[2]。

2 監控系統硬件部分

如圖2所示為本系統的總體架構。從圖2中可以看出本控制系統包括以下幾大部分：井下水倉水位監控部分、嵌入式控制系統部分、水泵出水壓力檢測部分、水泵電機部分、液壓缸控制閘閥部分和射流閥部分等。他們共同組成了井下排水系統[3]。

圖1 排水系統架構圖

圖2 控制系統總體架構

2.1 主控制器

下頁圖3為控制系統硬件組成。本監控系統的控制器采用PHILIPS公司生產的基于Cortex-M3內核的32位芯片，型號為LPC1788。最高主頻為120 MHz，SRAM容量為96 kB，EEPROM的大小為4 kB，FLASH大小為512 kB。支持串口通信、SPI總線、CAN總線和以太網總線等通信方式，非常適合應用于工業自動化控制領域，與傳統的PLC和單片機相比具有以下優勢：首先是硬件資源以及通信接口豐富，能夠支持簡單的嵌入式實時系統；其次就是開發周期短，可定制性強；最后便是價格便宜功能穩定。

2.2 數據輸入與輸出模塊

本系統的監控參數主要有六項：水泵出水口的壓力、水泵的軸承溫度、礦井下水位、驅動電機軸承溫度、吸水管的真空度和開關閥的位置。

圖3 嵌入式控制系統硬件框圖

圖4為模擬量輸入模塊：為了增強系統的抗干擾能力，系統采用了模擬量光耦模塊，型號為HCNR201。左端為模擬量輸入的調理電路，右端的阻容并聯是為了消除高頻干擾。

圖4 模擬量輸入模塊

圖5為數字量輸入電路，同樣采用了光電隔離模塊增強系統的抗干擾能力，左端采用12 V電壓是為了增強遠距離數值信號傳輸的強度，C215電容主要作用是為了濾波，74LVC14A是驅動芯片，能夠增強電路信號。

水泵的開啟時間以及臺數主要是取決于水倉的水位，本系統采用的水位檢測傳感器為GUY10煤礦專用的液位傳感器，由于其輸出的信號為4～20mA的電流信號，所以需要經過電流轉電壓調理電路后才能將其送入到控制系統的輸入管腳。其他的參數檢測也是使用了相關的傳感器，比如溫度的檢測采用了NTC系列的傳感器，而真空度的檢測則是采用了壓力傳感器，信號為PTP系列的。由于他們輸出的信號都不能夠直接被控制器識別，所以需要先對其進行信號處理，再輸入到控制器的輸入管腳。

圖5 數字量輸入模塊

2.3 系統數據通訊接口

考慮到本系統中通信的速度要求比較低、信息量小以及成本等因素，本系統的數據傳輸采用RS-485轉RS-232來實現，RS-485電路負責與監控終端之間通信，RS-232主要是與控制器之間通信。通信參數配置為：波特率是115 200，數據位為8位，1位停止位沒有奇偶校驗位。同時由于本系統是后來加入的系統，為了能夠較好地兼容礦井原有的通信網絡所以采用了RS-485通信方式。這也是出于控制成本減少不必要浪費的結果。通信線路的主要任務就是接受下端傳來的各種信號，將控制器的命令下傳到端部。

圖6為RS-485通訊接口電路。使用的電平轉換芯片為MAMIM公司的經典通信芯片，型號為MAX13085。由于通信線路比較強，為了保持通信的穩定，電路中加入了驅動芯片，型號為74LVC07。由于工作環境在礦井下，干擾比較多，為了增強電路的抗干擾能力在信號的輸入輸出口加入了光耦，用于信號的隔離，型號為TLP2362。

3 監控系統軟件部分

3.1 水泵啟動方案及水位監控

圖6 RS-485接口電路

本系統的控制策略是基于井下特殊的供電需求來設定的。為了更精確地檢測水倉水位，系統將水倉水位設置成4條水位線。由下而上看第二條水位線以下是安全水位，在第二條與第三條之間的水位被認為是低于警戒水位，可以利用用電的低峰期來進行排水。在第三條線與第四條之間的水位是中等的警戒水位，需要在任何時候都能夠排水。而超出第四條線以后屬于高度警戒的水位，需要開啟多臺水泵及時排水[4]。

具體的控制策略如圖7所示。系統啟動后先檢測水位狀況：如果處于水位線2以下時便判斷是否處于用電低峰期，如果是則啟動水泵進行排水，如果不是則暫時不啟動水泵；當檢測到水位超出水位線3時則不用判斷用電時期直接啟動一臺水泵進行排水；當水位超出水位線4時則判斷為礦井水倉溢出，立即啟動兩臺水泵進行及時的排水；當觸發礦井經濟水位線時則立即啟動所有的水泵進行排水，只有當水位下降到水位線1以下時才能停止水泵的工作。

圖7 水泵組啟動方案控制原理

3.2 系統工作模式

根據煤礦井下生產條例的規定，本系統設置了三種工作模式，分別為自動、遠程和就地模式[5]。

1）遠程控制模式。礦井生產中有的現場離控制器比較遠，為了減少工作人員的工作負荷，需要在控制器的人機界面上便能夠對整個系統中的關鍵部件進行啟?？刂?。

2）自動控制模式。自動控制模式便是控制器能夠利用內部預設的控制程序，通過對各種傳感器參數的對比來做出控制決策，來控制系統中器件的啟停，在完全沒有認為干預的條件下，該模式是實現井下無人值守的基礎。

3）就地控制模式。在實際工況中控制器有時候會距離被控制設備比較遠，當對電機或者是水泵等進行檢修時需要隨時控制其啟停，這時就地模式便是最好的選擇，工人能夠通過現場的按鈕開關等來直接對電機等進行操作，不用在控制器上控制。

4 排水控制系統實現目標

本系統主要以ARM嵌入式系統為主控制器，在主控制器外圍設置必要的外設，比如鍵盤電路、人際界面等。控制器系統首先通過現場的各種傳感器采集關鍵信號，經過信號調理電路后輸入到控制器，控制器根據預設的控制程序對其進行分析。分析后作出相應的動作，同時將實時畫面顯示到人際界面上。同時用戶能夠通過外部接口修改參數或者進行遠程控制等。本系統具有以下四種主要功能：

1）系統無人值守。將系統設置為自動控制模式時控制器便會根據傳感器上傳的信號自動做出相應判斷，同時將各項參數以及畫面顯示到人際界面上，能夠實現完全的無人化控制。

2）遠程監控?？刂破魑挥诰拢ㄟ^通信方式直接連接到地面的監控中心，當有特殊情況發生時，地面的監控中心能夠直接控制現場設備并通過控制器命令。

3）歷史曲線查詢。為了更好地反應出一段時間內礦井下水量的基本情況，本系統會將一段時間內的水位情況繪制成曲線圖顯示到人接界面上，這樣就方便工作人員對工作狀況進行調整和預測，以實現更好控制。

4）企業信息化。由于本系統是開放式的嵌入式系統，各種接口都符合工業標準，功能穩定可擴展性強，能夠將其他的控制系統聯系起來以便實現整個煤礦的集中控制，這便是企業信息化。

5 結論

本款嵌入式井下排水檢測控制系統，通過各種傳感器將信號采集處理后輸入到控制器，控制器通過已有的控制條件對其進行判斷處理，最后發出控制信號。同時利用現場總線將實時的控制信息上傳到地面的監控中心，能夠實現多種模式的控制，為以后礦井下其他控制系統的升級提供了思路。