礦山電氣自動化設備數據采集系統的設計與應用

李高清

（隴東學院電氣工程學院，甘肅 慶陽 745000）

電氣自動化技術在礦山建設中發揮著重要作用，實現了機電設備及配套設施的自動化控制，其中數據采集是電氣自動化正常運作的關鍵，電氣自動化設備數據采集系統針對每一類要素獨立采集，克服地質環境對自動化設備采集的影響，礦山中粉塵、振動以及氣候環境的潮濕性等，這些差異都會影響自動化設備做出及時的反饋信息，檢查礦山建設是否正常作業，檢測礦山工作位置是否出現故障，以及檢查電流電壓以及線路故障等，當礦山建設中產生劇烈振動時，及時發出警報，從而保證技術人員的人身安全。

1 礦山電氣自動化設備數據采集系統的硬件設計

1.1 設計通訊接口電路

通訊接口電路是電氣自動化設備數據采集系統的重要硬件設備，用于調試系統內部電路。本系統調試接口所選用的核心微處理器為TM4C123GXL開發板，是一款基于ARM Cortex-M4F內核的微控制器，開發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232轉接頭，使通訊接口電路采用可堆疊接頭，可用于自定義應用的可編程用戶按鈕，主頻80MHz，另配置256kB閃存以及32kB靜態內存，將虛擬串口輸出的TTL電平轉換為485電平，從而完成與上位機的連接[1]。

TM4C123GXL開發板選用MAX485接口芯片進行電平轉換，當開發板卡連接通訊接口時，調試設備的同時提供一個虛擬串口，與開發板的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，RE和DE端口作為使能端放大電路，引腳控制通訊調試接口的開發板，從而完成通訊接口電路的設計。

1.2 設計前端采集電路

在礦山電氣自動化設備數據采集系統中，前端采集電路是采集電壓信號和電流信號的重要硬件設備，使系統電路具有更好的適配性和通用性。電路設計采用微控制器內部12位ADC，對電壓型信號進行AD處理，實現模擬信號到數字信號的轉換[2]。當采集電流信號時，將電流信號轉換為電壓信號，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電阻，區分電壓和電流信號。

前端對采集信號進行預處理，經過電壓跟隨器流入后端，確保信號的質量和采集的精度，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計。

2 礦山電氣自動化設備數據采集系統的軟件設計

2.1 設計數據采集流程

設計礦山電氣自動化設備數據采集流程，是系統軟件設計中的關鍵環節。本文系統采用ADCn端的模擬輸入連續跟蹤流程，對礦山電氣自動化設備數據信息進行采集，對自動化設備數據信息進行取樣，啟動ADC的CNVSTR信號，當礦山電氣系統發生故障時，得到ADC轉換信號，以A/D轉換的跟蹤周期，決定其內部的ADC選擇是否采用跟蹤采集方式。

當ADnTM位置為1時，系統內部ADC開始進行A/D模數轉換，轉換芯片內部模塊進行低功耗的跟蹤采集。至此完成電氣自動化設備數據采集系統數據采集流程的設計。

2.2 設計數據采集指令

數據采集指令應用于終端設備與控制機之間的通信，本文數據采集系統采用AT模塊，識別多種數據采集指令。發送礦山電氣數據采集指令，最多可以接收1056個字符的長度，由終端設備主動向PC端報告的URC指示或者response響應，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 數據采集指令配置

AT指令以回車作為結尾，從終端設備向數據電路終端發送控制指令，響應以回車換行為結尾，從而進行數據采集指令的控制，至此完成電氣自動化設備數據采集系統的軟件設計。結合硬件和軟件設計，完成電氣自動化設備數據采集系統的總體設計。

3 實驗論證分析

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

圖1 串口接收故障數據情況

為保證實驗的準確性，共設置10次實驗，并記錄兩個系統測試時的故障診斷時間，其實驗結果如下表所示：

表2 實驗結果對比表

根據上表數據，可以計算出在10次測試實驗中，兩個系統對線路阻抗故障的平均診斷時間，傳統電氣自動化設備數據采集系統的故障診斷時間平均為7分23秒，本文設計系統的故障診斷時間平均為4分26秒，相比傳統系統縮短了2分57秒，驗證本文系統的有效性。

4 結語

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