基于Windows CE的礦用排水監控系統設計

譚長森， 張珂

(天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

井下泵房排水系統是煤礦生產的四大主要系統之一，擔負著排出井下采掘出水及其他場所滲水的重任，對保證礦井安全起著至關重要的作用。目前的井下泵房排水控制多采用人工操作方式，操作工通過目測水位和水位變化率決定水泵開停，人工操作方式存在以下問題：

1) 勞動強度大。人工啟停水泵，需要操作工去手動操作被控設備的開閉，尤其是主管道閘閥的開關，大力矩的閘閥甚至需要兩個人同時操作才能轉動手柄，勞動強度非常大；

2) 安全性低。排水過程需要實時監測水泵、電機和閘閥等設備的運行狀態，出現問題及時處理，而礦井排水由于經濟原因通常安排在深夜進行，此時人的注意力最弱，采用人工監測容易出現生產事故；

3) 可靠性、效率低。人工目測水位和水位變化率等現場參數決定開停水泵對操作工的經驗依賴性較大，開停水泵流程復雜，人工操作時間較長，效率較低。

針對以上缺點，基于礦井排水泵的排水工藝及現場實際工況要求[1-2]，設計了一種基于WINCE嵌入式操作系統的礦用排水監控系統[3]。該系統采用WINCE操作系統為控制核心，設計了數據采集、控制、故障處理等模塊，該系統避免了人工操作的缺點，滿足了礦井自動化排水的需求。

1 排水監控系統總體設計

采用SAM3221為中央控制器，該控制器支持串口、CAN接口、以太網接口、觸摸屏接口及音頻接口，運行速度快，可靠性高，接口資源豐富，能滿足監控系統的可靠性、數據處理實時性等要求。基于SM3221的排水監控系統總體設計，如圖1所示。

圖1 總體系統結構

2 硬件電路設計

硬件電路設計包括核心控制器、電源模塊、模擬量采集單元、開關量輸入輸出單元，人機交互單元(鍵盤、鼠標及顯示屏)、通信單元(CAN、RS-485和以太網)[4]。

1) 核心控制器。SAM3221核心控制器主要功能為通過接口模塊及通信接口接收外圍傳感器及其他設備傳送的各種數據，根據預先設定的軟件流程進行相應的處理，配合顯示屏顯示各種運行狀態，將數據綜合處理后發送到數據傳輸接口，以供其他系統或設備讀取數據進行相應的處理。

由于SAM3221核心控制器沒有直接采集開關量輸入、輸出及模擬量采集單元的接口，不能直接接收和處理外部的各種開關量和模擬量信號，故系統設計了接口模塊，由接口模塊采集開關量輸入、各種模擬量的信號，經數據轉換后通過總線通信方式傳輸給核心控制器，同時將核心控制器的控制命令通過接口模塊的轉換對外輸出信號。

SAM3221的外圍電路中比較重要的是晶振電路和復位電路。SAM3221有內置產生振蕩頻率的電路，但其精確度較低，不滿足數據處理實時性的要求，本設計選擇使用外部精密石英晶振來達到系統對精度要求；復位電路對于控制系統非常重要，為了滿足需要設計看門狗復位電路，用以實現手動和自動復位；通過監控芯片MAX706ESA，檢測引腳電平判斷是否正常工作，當出現異常即拉低電平實現主控制器的復位。

2) 模擬量采集電路[5]。模擬量采集模塊的功能是采集溫度、流量、水位壓力及流量等電參數的值，系統采用模數轉換的方式把模擬量數據轉換為數字信號，通過接口模塊傳輸到主控制器進行相關處理，典型的模擬量采集電路為溫度采集電路，圖2為溫度采集部分硬件電路圖[6]，溫度采集選用惠斯通電橋的三線制接法[7]。

其中X1的1、2引腳接PT100鉑電阻的公共引腳，3引腳接PT100鉑電阻的另一引腳，REF1為參考電壓，AIN10為比較電壓，AIN1點的電壓隨著PT100電阻值變化而變化，值得注意的是，因為AIN10和AIN1間的電壓差極微弱，任何影響因素都將加大測量誤差，電阻R2、R4和R5必須選用低溫漂的精密電阻。

圖2 數據采集部分電路原理

3) 總線傳輸接口電路。SAM3221的串口、CAN接口等通訊需與外部通訊信號采用隔離措施，以保護控制主控制器的安全性，圖3為CAN總線傳輸接口的電路圖[8]。CAN信號經過D6隔離后，進入CAN總線收發器D7后對外進行數據通信，R60為CAN總線匹配電阻，若數據傳輸距離較遠，則匹配電阻投入后可以改善傳輸性能。

3 WINCE嵌入式系統軟件設計

軟件設計是本系統設計重要的組成部分，是整個監控系統設計的靈魂，硬件設備和電路只能在軟件邏輯控制下才能實現系統設計的功能。系統軟件采用基于WINCE開發環境下的Visual C++設計的應用程序編寫[9]，對應硬件電路設計部分，軟件設計分為數據采集模塊、控制模塊、就地顯示模塊、數據遠程傳輸模塊及監控系統參數配置模塊。

1) 數據采集模塊。負責采集現場的模擬量和開關量的狀態，比如壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器和水位傳感器等模擬量信號；各種控制命令、電機狀態等各種開入量信號，模擬量采集部分最難處理的為溫度采集部分的軟件設計，鉑熱電阻變化和所代表的溫度值為非線性關系，軟件設計中只能采用分段線性化來處理(本部分采用C語言[10]編寫從而實現分段采集，分段處理)。

圖3 CAN總線傳輸接口原理

2) 參數配置模塊。主要是配置系統運行必須的基礎數據和系統監測過程的各種信號的門限值，其基礎數據包括采集信號通道的配置、采集信號的種類、數據傳輸協議的配置及控制邏輯的配置等；信號的門限值包括各種傳感器的報警門限、停機門限及信號延遲響應時間等數值。

3) 控制模塊。控制模塊為監控系統的核心模塊，主要是根據對系統各類數據的判斷、比較后輸出相應的控制命令，從而控制各類執行機構的動作，完成對排水系統相關被控設備的啟停控制。

4) 故障處理模塊。根據數據采集的結果和配置模塊的各類門限值進行判斷，如果在門限值之內，不進行任何動作，如果在門限值之內，輸出錯誤的類型到控制模塊，由控制模塊輸出相應的動作；

5) 數據遠程傳輸模塊。此模塊的作用是將本地監控系統中的各類模擬量、開關量信號通過指定的傳輸接口遠程傳輸到地面監控上位機或其他設備進行顯示，并接收其控制命令，從而執行相應的操作；

6) 就地顯示模塊。此模塊的作用是將各類傳感器的數值、狀態和被控設備的運行狀態發送到顯示屏顯示，供相關人員了解設備的運行情況。

4 排水監控系統現場驗證情況

基于WINCE的礦用排水監控系統在神華集團棗泉煤礦、淮南礦業丁集煤礦、冀中能源東龐煤礦及鐵煤集團大強煤礦等不同地域、不同條件礦井分別進行了功能驗證試驗，其中最有代表性的為丁集煤礦。其中央水泵房距地面約900 m，礦井條件具有井深、地壓高及涌水量大等特點，水泵排水具有水壓高、排水管徑大等特點，人工開泵時閘閥開閉時間長，由于開閉過程高水壓對閘閥的閥芯損傷大，其閘閥更換頻繁，且高水壓狀態下人工操作危險性較大。

現場實際驗證表明：該系統運行穩定，由監控系統自動控制閘閥、電動機等設備，降低了水泵操作工的勞動強度；對排水過程出現的問題能夠根據程序預設的流程進行相應處理，提高了水泵運行中的安全性。丁集煤礦的系統自動控制加快了閘閥開閉的速度，降低了閘閥閥芯的損壞率，節約了材料成本。

5 結論

通過分析煤礦水泵房人工操作中主要存在的問題，設計了一種基于WINCE嵌入式系統的礦用排水監控系統。該系統已通過國家相應檢測檢驗機構的認證，在各種類型、區域的礦井進行了實際應用。應用結果證明，基于WINCE嵌入式排水監控系統具有可靠性高、安全性好等特性，既減輕人工開泵的工作強度，又增大了水泵運行的安全性，可滿足礦井自動化排水的需要。