煤炭注漿系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集總體設(shè)計(jì)

王亞楠+宋海寬

摘 要：在煤炭開(kāi)采中，為了更好地完成對(duì)水、電、煤等能源介質(zhì)的調(diào)度和配置來(lái)達(dá)到節(jié)能降耗的目的以及對(duì)巖層注漿時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，我們就需要建立一套有效并且穩(wěn)定的自動(dòng)化信息獲取系統(tǒng)對(duì)煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的壓力參數(shù)和機(jī)械參數(shù)等進(jìn)行采集和處理。由于煤礦中生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜、需要測(cè)量的測(cè)點(diǎn)多，本文主要針對(duì)煤礦注漿過(guò)程中壓力測(cè)量展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了煤炭注漿系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件部分為煤炭注漿工藝提供參考。

關(guān)鍵詞：嵌入式；數(shù)據(jù)采集；Modbus

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.075

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先要深入了解系統(tǒng)的總體構(gòu)架、明確現(xiàn)場(chǎng)注漿系統(tǒng)的確切要求、需要解決的實(shí)際問(wèn)題以及要實(shí)現(xiàn)的功能等等，只有這樣才能夠根據(jù)要求來(lái)確定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

1 煤炭注漿系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)方案中，基于ARM的嵌入式多功能數(shù)據(jù)采集裝置為系統(tǒng)的核心，并將采集到的壓力和流量等來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或者以太網(wǎng)傳輸至工作站進(jìn)行監(jiān)控和管理，同時(shí)還可將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且也可以通過(guò)Web服務(wù)器在煤礦的局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)布。

嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)串口、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等通信方式從DCS、DEH、SIS、PLC、RTU等系統(tǒng)讀取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備各個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)Modbus總線傳輸至各個(gè)工作站。若利用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在Modbus網(wǎng)絡(luò)上的通信方式可以設(shè)置為兩種傳輸模式： ASCII模式或RTU模式；若利用TCP/IP以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)的通信采用Modbus/TCP協(xié)議[1]。

2 煤炭注漿系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

煤層注漿考慮到了科學(xué)化、實(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，采集難度較高，開(kāi)發(fā)高效的嵌入式硬件系統(tǒng)平臺(tái)是確保采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和可靠的前提。本文設(shè)計(jì)的硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是基于ARM的多功能數(shù)據(jù)采集裝置，采用32位嵌入式ARM內(nèi)核的Cortex-M3系列微處理器作為硬件平臺(tái)的核心，從嵌入式技術(shù)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用出發(fā)，考慮到嵌入式微處理器既要保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和快速性，又要完成串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信等功能，所以在選擇嵌入式微處理器的時(shí)候，就要求該嵌入式微處理器運(yùn)行速度足夠快，同時(shí)又要能夠移植μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，且還需要一定容量的ROM和RAM[2]。

3 煤炭注漿系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路不僅包括由基本的程序啟動(dòng)模式設(shè)置電路、時(shí)鐘配置電路、復(fù)位電路、JTAG電路等組成的最小系統(tǒng)電路，還包括由電平轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換電路、串行通信接口電路、以太網(wǎng)通信接口電路、數(shù)據(jù)采集單元地址設(shè)定電路和控制輸出電路等組成的外圍電路，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的原則[3]。

3.1 信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換電路

信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換電路主要由前端信號(hào)處理電路、通道切換電路和數(shù)據(jù)采集電路組成。信號(hào)預(yù)處理電路完成的是將-5～+5V的直流電壓經(jīng)過(guò)增益調(diào)整、電平變換等處理轉(zhuǎn)化為A/D轉(zhuǎn)換所允許的電壓范圍以及將熱電偶（TC）、熱電阻（RTD）輸出的毫伏級(jí)電壓信號(hào)或者電阻信號(hào)經(jīng)過(guò)一些處理，如經(jīng)過(guò)低通濾波、增益調(diào)整等處理后轉(zhuǎn)化為較大的電壓信號(hào)；通道切換電路完成的是將經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)CD4051完成對(duì)不同通道的選擇；數(shù)據(jù)采集電路完成的是將選中通道輸出的電壓經(jīng)過(guò)電壓跟隨器后送入A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

3.2 控制輸出電路

在自動(dòng)化系統(tǒng)中，經(jīng)常需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的物理量進(jìn)行自動(dòng)控制，如當(dāng)溫度越限或者壓力過(guò)高時(shí)需通過(guò)控制閥門(mén)或者其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作保持溫度和壓力在正常的范圍內(nèi)，為此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2路0～5V電壓模擬量輸出電路、2路4～20mA電流模擬量輸出電路，4路開(kāi)關(guān)量輸出電路和4路繼電器輸出電路。

3.3 通信電路

為了盡可能地滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求，同時(shí)為了方便今后系統(tǒng)通信協(xié)議的擴(kuò)展，本文設(shè)計(jì)了2個(gè)RS232串行通信接口、1個(gè)RS485串行通信接口和1個(gè)以太網(wǎng)通信接口。STM32F107微處理器內(nèi)部含有5個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART，為了防止因其中一個(gè)RS232串行接口異常而導(dǎo)致系統(tǒng)不能進(jìn)行RS232串行通信，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2個(gè)RS232串行通信接口用作冗余，且設(shè)計(jì)時(shí)使用UART1和UART2。

4 結(jié)論

本章主要針對(duì)煤炭注漿系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了總體硬件設(shè)計(jì)，首先對(duì)嵌入式微處理器進(jìn)行了必要性的選擇，接著對(duì)其外圍電路進(jìn)行了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，其中包括信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換電路、控制輸出電路、通信電路等，全文給出了硬件總體設(shè)計(jì)的思路，為煤炭注漿數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]王琳，商周，王學(xué)偉.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2004，41（08）：4-8.

[2]彭道剛，張浩，李輝等.基于Modbus協(xié)議的ARM嵌入式檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（01）：115-123.

[3]孫文.多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]：[碩士學(xué)位論文]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)介： 王亞楠（1991-），男，河南平頂山人，碩士學(xué)位，學(xué)院在職老師，研究方向：高壓電絕緣。