譚長森， 張珂

(天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

井下泵房排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的四大主要系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著排出井下采掘出水及其他場(chǎng)所滲水的重任，對(duì)保證礦井安全起著至關(guān)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(cè)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(dòng)強(qiáng)度大。人工啟停水泵，需要操作工去手動(dòng)操作被控設(shè)備的開閉，尤其是主管道閘閥的開關(guān)，大力矩的閘閥甚至需要兩個(gè)人同時(shí)操作才能轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，勞動(dòng)強(qiáng)度非常大；

2) 安全性低。排水過程需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵、電機(jī)和閘閥等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)問題及時(shí)處理，而礦井排水由于經(jīng)濟(jì)原因通常安排在深夜進(jìn)行，此時(shí)人的注意力最弱，采用人工監(jiān)測(cè)容易出現(xiàn)生產(chǎn)事故；

3) 可靠性、效率低。人工目測(cè)水位和水位變化率等現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)決定開停水泵對(duì)操作工的經(jīng)驗(yàn)依賴性較大，開停水泵流程復(fù)雜，人工操作時(shí)間較長，效率較低。

針對(duì)以上缺點(diǎn)，基于礦井排水泵的排水工藝及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況要求[1-2]，設(shè)計(jì)了一種基于WINCE嵌入式操作系統(tǒng)的礦用排水監(jiān)控系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)采用WINCE操作系統(tǒng)為控制核心，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集、控制、故障處理等模塊，該系統(tǒng)避免了人工操作的缺點(diǎn)，滿足了礦井自動(dòng)化排水的需求。

1 排水監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

采用SAM3221為中央控制器，該控制器支持串口、CAN接口、以太網(wǎng)接口、觸摸屏接口及音頻接口，運(yùn)行速度快，可靠性高，接口資源豐富，能滿足監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性等要求?；赟M3221的排水監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)包括核心控制器、電源模塊、模擬量采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元，人機(jī)交互單元(鍵盤、鼠標(biāo)及顯示屏)、通信單元(CAN、RS-485和以太網(wǎng))[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(shè)備傳送的各種數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的軟件流程進(jìn)行相應(yīng)的處理，配合顯示屏顯示各種運(yùn)行狀態(tài)，將數(shù)據(jù)綜合處理后發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸接口，以供其他系統(tǒng)或設(shè)備讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

由于SAM3221核心控制器沒有直接采集開關(guān)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(guān)量和模擬量信號(hào)，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)了接口模塊，由接口模塊采集開關(guān)量輸入、各種模擬量的信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后通過總線通信方式傳輸給核心控制器，同時(shí)將核心控制器的控制命令通過接口模塊的轉(zhuǎn)換對(duì)外輸出信號(hào)。

SAM3221的外圍電路中比較重要的是晶振電路和復(fù)位電路。SAM3221有內(nèi)置產(chǎn)生振蕩頻率的電路，但其精確度較低，不滿足數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性的要求，本設(shè)計(jì)選擇使用外部精密石英晶振來達(dá)到系統(tǒng)對(duì)精度要求；復(fù)位電路對(duì)于控制系統(tǒng)非常重要，為了滿足需要設(shè)計(jì)看門狗復(fù)位電路，用以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)復(fù)位；通過監(jiān)控芯片MAX706ESA，檢測(cè)引腳電平判斷是否正常工作，當(dāng)出現(xiàn)異常即拉低電平實(shí)現(xiàn)主控制器的復(fù)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(shù)的值，系統(tǒng)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式把模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過接口模塊傳輸?shù)街骺刂破鬟M(jìn)行相關(guān)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(diǎn)的電壓隨著PT100電阻值變化而變化，值得注意的是，因?yàn)锳IN10和AIN1間的電壓差極微弱，任何影響因素都將加大測(cè)量誤差，電阻R2、R4和R5必須選用低溫漂的精密電阻。

圖2 數(shù)據(jù)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(hào)采用隔離措施，以保護(hù)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(hào)經(jīng)過D6隔離后，進(jìn)入CAN總線收發(fā)器D7后對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，R60為CAN總線匹配電阻，若數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)，則匹配電阻投入后可以改善傳輸性能。

3 WINCE嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要的組成部分，是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈魂，硬件設(shè)備和電路只能在軟件邏輯控制下才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能。系統(tǒng)軟件采用基于WINCE開發(fā)環(huán)境下的Visual C++設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序編寫[9]，對(duì)應(yīng)硬件電路設(shè)計(jì)部分，軟件設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、就地顯示模塊、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊及監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)配置模塊。

1) 數(shù)據(jù)采集模塊。負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)的模擬量和開關(guān)量的狀態(tài)，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(hào)；各種控制命令、電機(jī)狀態(tài)等各種開入量信號(hào)，模擬量采集部分最難處理的為溫度采集部分的軟件設(shè)計(jì)，鉑熱電阻變化和所代表的溫度值為非線性關(guān)系，軟件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)分段采集，分段處理)。

圖3 CAN總線傳輸接口原理

2) 參數(shù)配置模塊。主要是配置系統(tǒng)運(yùn)行必須的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過程的各種信號(hào)的門限值，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括采集信號(hào)通道的配置、采集信號(hào)的種類、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的配置及控制邏輯的配置等；信號(hào)的門限值包括各種傳感器的報(bào)警門限、停機(jī)門限及信號(hào)延遲響應(yīng)時(shí)間等數(shù)值。

3) 控制模塊。控制模塊為監(jiān)控系統(tǒng)的核心模塊，主要是根據(jù)對(duì)系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)的判斷、比較后輸出相應(yīng)的控制命令，從而控制各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，完成對(duì)排水系統(tǒng)相關(guān)被控設(shè)備的啟停控制。

4) 故障處理模塊。根據(jù)數(shù)據(jù)采集的結(jié)果和配置模塊的各類門限值進(jìn)行判斷，如果在門限值之內(nèi)，不進(jìn)行任何動(dòng)作，如果在門限值之內(nèi)，輸出錯(cuò)誤的類型到控制模塊，由控制模塊輸出相應(yīng)的動(dòng)作；

5) 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊。此模塊的作用是將本地監(jiān)控系統(tǒng)中的各類模擬量、開關(guān)量信號(hào)通過指定的傳輸接口遠(yuǎn)程傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控上位機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行顯示，并接收其控制命令，從而執(zhí)行相應(yīng)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(shù)值、狀態(tài)和被控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送到顯示屏顯示，供相關(guān)人員了解設(shè)備的運(yùn)行情況。

4 排水監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證情況

基于WINCE的礦用排水監(jiān)控系統(tǒng)在神華集團(tuán)棗泉煤礦、淮南礦業(yè)丁集煤礦、冀中能源東龐煤礦及鐵煤集團(tuán)大強(qiáng)煤礦等不同地域、不同條件礦井分別進(jìn)行了功能驗(yàn)證試驗(yàn)，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(diǎn)，水泵排水具有水壓高、排水管徑大等特點(diǎn)，人工開泵時(shí)閘閥開閉時(shí)間長，由于開閉過程高水壓對(duì)閘閥的閥芯損傷大，其閘閥更換頻繁，且高水壓狀態(tài)下人工操作危險(xiǎn)性較大。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，由監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)控制閘閥、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備，降低了水泵操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度；對(duì)排水過程出現(xiàn)的問題能夠根據(jù)程序預(yù)設(shè)的流程進(jìn)行相應(yīng)處理，提高了水泵運(yùn)行中的安全性。丁集煤礦的系統(tǒng)自動(dòng)控制加快了閘閥開閉的速度，降低了閘閥閥芯的損壞率，節(jié)約了材料成本。

5 結(jié)論

通過分析煤礦水泵房人工操作中主要存在的問題，設(shè)計(jì)了一種基于WINCE嵌入式系統(tǒng)的礦用排水監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)已通過國家相應(yīng)檢測(cè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，在各種類型、區(qū)域的礦井進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果證明，基于WINCE嵌入式排水監(jiān)控系統(tǒng)具有可靠性高、安全性好等特性，既減輕人工開泵的工作強(qiáng)度，又增大了水泵運(yùn)行的安全性，可滿足礦井自動(dòng)化排水的需要。