利用ARM9技術對現有安全監控分站進行改進的研究

汪 爽

（晉能控股煤業集團有限公司成莊礦監測隊，山西 澤州 048000）

引言

近年來，國內的煤礦井下安全監控技術取得了較大的進步，相較于前些年，目前主流的煤礦井下安全監控技術主要有五個發展方向，分別包括高精度傳感器、系統在線自動調校設備、分站式結構設計、現場總線控制技術應用、采用TCP/IP網絡協議通信技術。五大方向代表了主流的技術突破方向，研究從各個方面去提高安全監控系統的性能[1]。本文對現有的某礦業公司井下安全監控系統的升級改造。

1 監控分站簡介

煤礦井下安全監控系統主要包括四大模塊，分別對其做簡要說明[2]：

1）信號采集。該模塊的功能主要是負責收集各傳感器所采集的信號，并將這些信號進行處理轉化后傳輸給井下監控分站。

2）安全監控分站設計。分站系統的組合構成了安全監控總體系統，分站設計對于整個監控系統具有重要意義。分站系統主要是將前端傳感器傳輸回來的信號進行分析，并作出判斷。

3）信號傳輸。各個模塊之間相互協作，都離不開信號的有效傳輸，所以信號傳輸模塊是煤礦井下安全監控系統的基礎。

4）地面控制中心。地面控制中心主要是集成各子系統信息，同時是安全監控系統的核心控制部分，可以實現對井下相關系統的人工控制。

如圖1所示，為煤礦井下安全監控系統總體的結構示意圖，在監控系統中傳感器處于最底端，主要是對各種信號的采集。所有經采集得到的信號，進過監控分站的處理，最后匯總到地面控制中心站[3]。

圖1 井下安全監測監控系統結構示意

2 安全監控分站總體方案設計

監控分站是整個安全監控系統的重要子模塊，各個子模塊具有相對獨立的功能，分站系統可為煤礦井下作業人員提供安全保障。因此，對于保障安全和整體系統的可靠運行和擴展性，分站系統的設計具有重要意義。

2.1 系統硬件總體設計

分站系統的硬件主要包括主控制器、井下傳感器、輸出電路、輸入電路、數據傳輸等，硬件的性能對整個系統具有較大的影響，因此需要綜合考慮硬件的各項指標。同時分站系統具備獨立工作能力，可以根據傳感器所采集得到的參數對相關設備進行控制[4]。

根據設計要求，擬定的分站系統硬件技術指標如下：

1）傳感器的信號輸入要求：信號的頻率范圍為50～1 800 Hz，額定工作電壓信號2～50 mV，其中信號的誤差不大于0.5%。

2）數據傳輸能力：20/200 Mbps，工業級以太網，網絡以TCP協議傳輸。

3）信號傳輸能力：具有一定的抗干擾能力，最大傳輸距離應不小于40 km，各類傳感器到分站主控制器之間的有效傳輸能力不小于4 km。

4）系統具有較好的兼容性，具有16路輸入與16路輸出端口。

5）設備工作環境要求：溫度-10～50℃，空氣的相對濕度不得大于94%，額定工作大氣壓力為90～120 kPa。

分站系統的硬件結構如圖2所示，安全監控分站硬件系統主要包括微處理器、開關操作輸入信號以及傳感器采集信號輸入端口等。上下主要連接了顯示器、備用電源等硬件設備，微處理器可實現對傳感器采集信號的處理，并作出反饋[5]。

圖2 分站系統硬件組成

2.2 分站系統軟件設計

煤礦安全監控系統中的硬件設備是系統的物理基礎，而軟件系統則是運行各種設備所需要的程序語言。軟件系統對系統整體性能影響較大，為了保障安全監控系統整體的性能，在本項目的系統升級中，軟件編程由專業公司合作完成，在此只對軟件系統的設計結構框架做簡要介紹。

分站軟件系統為可操作系統，但是系統以單任務的形式運行，由于分鐘系統所涉及的功能也較多，所有選擇了Linux操作系統為軟件系統，分站系統軟件的設計開發內容如圖3所示[6]。

3 系統硬件設計方案

在分站系統硬件設計中，核心部分為微處理器，實際上目前市場上可滿足分站系統設計需求的微處理器較多，根據實際需求和產品性價比，選擇了基于ARM9框架的三星WS7H280型處理器作為分站系統硬件微處理器。該型微處理器具有200M網絡接口，可實現以TCP/IP協議方式與地面控制中心和井下傳感器的數據傳輸。終端傳感器則以國內維博電子所生產的各型傳感器為主，包括GTH100型風速傳感器、SHM490型溫度濕度傳感器、GSK15型有害氣體濃度傳感器等。微儲存器（NOR FLASH、SDRAM）選擇的是丹麥丹諾克公司生產的GBX30系列存儲器。

安全監控系統分站硬件設計原理如圖4所示，微處理器對各種傳感器采集所得的信號進行判斷。如果信號超過閘值，微處理器可作出判斷，對井下的環境安全做出實時診斷。分站與地面控制中心之間通過網卡以TCP/IP協議進行信號傳輸，傳感器信號的采集頻率為60 Hz。分站硬件系統配置了顯示屏及觸摸控制屏，可以實現人工手動對設備進行操作，并設置了緊急停止操作按鈕。

圖3 分站軟件系統開發圖

圖4 監控分站硬件設計原理

4 監控分站的軟件設計

安全監控系統分站系統軟件升級，采用了Linux開源代碼進行編程，Linux具有諸多優點，如能同時執行多個任務、多用戶登錄、后期開源擴展性好。Linux可為用戶提供豐富的編程技術，具有較高的安全性，可為用戶提供文件的訪問、讀取權限，對于保障系統的信息安全具有重要意義。由于軟件的具體編程是與第三方合作完成，在此不再對軟件的詳細編程過程做過多的贅述，如下頁圖5所示，為Linux驅動與應用程序的關系圖。

分站軟件系統主要包括五個功能子程序：

1）傳感器信號分析：傳感器信號分析程序主要是對井下傳感器所采集的井下環境參數進行分析計算。

2）簡易控制程序：微處理器的控制程序主要是對信號進行判斷，可檢測井下環境參數是否超過閘值，從而做出自動控制，包括對井下硬件設備如通風機等設備井下調節。

3）簡易信息顯示程序：顯示主程序主要是對監測信息的顯示和反饋。

4）數據通信：數據通信程序主要是以TCP協議實現井下與地面的數據交互。

圖5 Linux驅動程序關系

5）觸摸控制程序：觸摸控制程序是為用戶提供簡易的幾個功能按鈕，從而達到代替實體按鈕的功能。

5 安全監控系統分站系統的測試及其結果

在實現井下安全監控分站系統的搭建后，投入實際應用，并對該系統在井下進行了兩個月的井下調試與試用，詳細地對分站系統的軟件和硬件進行了調試，硬件是軟件調試的基礎，在確保硬件系統性能可靠、準確的前提下，再對軟件的性能進行調試。

硬件調試內容主要包括電源故障排除、焊接故障排除、電子元器件故障排除、微處理器故障排除、信號輸入測試、輸出信號測試、網絡連接測試等。軟件的測試主要包括操作界面測試、監測數據顯示能力測試、按鈕輸入測試、軟件信號反饋測試等。

調試結果顯示，分站系統的設計達到了設計目標，該研究對于井下安全監控系統分站系統的升級改造具有重要參考意義。