利用ARM9技術(shù)對現(xiàn)有安全監(jiān)控分站進(jìn)行改進(jìn)的研究

汪 爽

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司成莊礦監(jiān)測隊(duì)，山西 澤州 048000）

引言

近年來，國內(nèi)的煤礦井下安全監(jiān)控技術(shù)取得了較大的進(jìn)步，相較于前些年，目前主流的煤礦井下安全監(jiān)控技術(shù)主要有五個(gè)發(fā)展方向，分別包括高精度傳感器、系統(tǒng)在線自動調(diào)校設(shè)備、分站式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場總線控制技術(shù)應(yīng)用、采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信技術(shù)。五大方向代表了主流的技術(shù)突破方向，研究從各個(gè)方面去提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的性能[1]。本文對現(xiàn)有的某礦業(yè)公司井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造。

1 監(jiān)控分站簡介

煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)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(fù)責(zé)收集各傳感器所采集的信號，并將這些信號進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化后傳輸給井下監(jiān)控分站。

2）安全監(jiān)控分站設(shè)計(jì)。分站系統(tǒng)的組合構(gòu)成了安全監(jiān)控總體系統(tǒng)，分站設(shè)計(jì)對于整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。分站系統(tǒng)主要是將前端傳感器傳輸回來的信號進(jìn)行分析，并作出判斷。

3）信號傳輸。各個(gè)模塊之間相互協(xié)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(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

4）地面控制中心。地面控制中心主要是集成各子系統(tǒng)信息，同時(shí)是安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制部分，可以實(shí)現(xiàn)對井下相關(guān)系統(tǒng)的人工控制。

如圖1所示，為煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)示意圖，在監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器處于最底端，主要是對各種信號的采集。所有經(jīng)采集得到的信號，進(jìn)過監(jiān)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(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 安全監(jiān)控分站總體方案設(shè)計(jì)

監(jiān)控分站是整個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要子模塊，各個(gè)子模塊具有相對獨(dú)立的功能，分站系統(tǒng)可為煤礦井下作業(yè)人員提供安全保障。因此，對于保障安全和整體系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和擴(kuò)展性，分站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

分站系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)?，硬件的性能對整個(gè)系統(tǒng)具有較大的影響，因此需要綜合考慮硬件的各項(xiàng)指標(biāo)。同時(shí)分站系統(tǒng)具備獨(dú)立工作能力，可以根據(jù)傳感器所采集得到的參數(shù)對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制[4]。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，擬定的分站系統(tǒng)硬件技術(shù)指標(biāo)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(shù)據(jù)傳輸能力：20/200 Mbps，工業(yè)級以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)以TCP協(xié)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(yīng)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(tǒng)具有較好的兼容性，具有16路輸入與16路輸出端口。

5）設(shè)備工作環(huán)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(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，安全監(jiān)控分站硬件系統(tǒng)主要包括微處理器、開關(guān)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(shè)備，微處理器可實(shí)現(xiàn)對傳感器采集信號的處理，并作出反饋[5]。

圖2 分站系統(tǒng)硬件組成

2.2 分站系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的硬件設(shè)備是系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，而軟件系統(tǒng)則是運(yùn)行各種設(shè)備所需要的程序語言。軟件系統(tǒng)對系統(tǒng)整體性能影響較大，為了保障安全監(jiān)控系統(tǒng)整體的性能，在本項(xiàng)目的系統(tǒng)升級中，軟件編程由專業(yè)公司合作完成，在此只對軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架做簡要介紹。

分站軟件系統(tǒng)為可操作系統(tǒng)，但是系統(tǒng)以單任務(wù)的形式運(yùn)行，由于分鐘系統(tǒng)所涉及的功能也較多，所有選擇了Linux操作系統(tǒng)為軟件系統(tǒng)，分站系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)內(nèi)容如圖3所示[6]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

在分站系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，核心部分為微處理器，實(shí)際上目前市場上可滿足分站系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求的微處理器較多，根據(jù)實(shí)際需求和產(chǎn)品性價(jià)比，選擇了基于ARM9框架的三星WS7H280型處理器作為分站系統(tǒng)硬件微處理器。該型微處理器具有200M網(wǎng)絡(luò)接口，可實(shí)現(xiàn)以TCP/IP協(xié)議方式與地面控制中心和井下傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。終端傳感器則以國內(nèi)維博電子所生產(chǎn)的各型傳感器為主，包括GTH100型風(fēng)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(chǎn)的GBX30系列存儲器。

安全監(jiān)控系統(tǒng)分站硬件設(shè)計(jì)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(jìn)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(huán)境安全做出實(shí)時(shí)診斷。分站與地面控制中心之間通過網(wǎng)卡以TCP/IP協(xié)議進(jìn)行信號傳輸，傳感器信號的采集頻率為60 Hz。分站硬件系統(tǒng)配置了顯示屏及觸摸控制屏，可以實(shí)現(xiàn)人工手動對設(shè)備進(jìn)行操作，并設(shè)置了緊急停止操作按鈕。

圖3 分站軟件系統(tǒng)開發(fā)圖

圖4 監(jiān)控分站硬件設(shè)計(jì)原理

4 監(jiān)控分站的軟件設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控系統(tǒng)分站系統(tǒng)軟件升級，采用了Linux開源代碼進(jìn)行編程，Linux具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)、多用戶登錄、后期開源擴(kuò)展性好。Linux可為用戶提供豐富的編程技術(shù)，具有較高的安全性，可為用戶提供文件的訪問、讀取權(quán)限，對于保障系統(tǒng)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(xì)編程過程做過多的贅述，如下頁圖5所示，為Linux驅(qū)動與應(yīng)用程序的關(guān)系圖。

分站軟件系統(tǒng)主要包括五個(gè)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(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。

2）簡易控制程序：微處理器的控制程序主要是對信號進(jìn)行判斷，可檢測井下環(huán)境參數(shù)是否超過閘值，從而做出自動控制，包括對井下硬件設(shè)備如通風(fēng)機(jī)等設(shè)備井下調(diào)節(jié)。

3）簡易信息顯示程序：顯示主程序主要是對監(jiān)測信息的顯示和反饋。

4）數(shù)據(jù)通信：數(shù)據(jù)通信程序主要是以TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)井下與地面的數(shù)據(jù)交互。

圖5 Linux驅(qū)動程序關(guān)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(gè)功能按鈕，從而達(dá)到代替實(shí)體按鈕的功能。

5 安全監(jiān)控系統(tǒng)分站系統(tǒng)的測試及其結(jié)果

在實(shí)現(xiàn)井下安全監(jiān)控分站系統(tǒng)的搭建后，投入實(shí)際應(yīng)用，并對該系統(tǒng)在井下進(jìn)行了兩個(gè)月的井下調(diào)試與試用，詳細(xì)地對分站系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)行了調(diào)試，硬件是軟件調(diào)試的基礎(chǔ)，在確保硬件系統(tǒng)性能可靠、準(zhǔn)確的前提下，再對軟件的性能進(jìn)行調(diào)試。

硬件調(diào)試內(nèi)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(wǎng)絡(luò)連接測試等。軟件的測試主要包括操作界面測試、監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示能力測試、按鈕輸入測試、軟件信號反饋測試等。

調(diào)試結(jié)果顯示，分站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，該研究對于井下安全監(jiān)控系統(tǒng)分站系統(tǒng)的升級改造具有重要參考意義。