矿用排水监控系统的分析

徐维泽,程 海,燕 斌,王昊星,孙 乐

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安，710077）

0 引言

近年来，随着我国煤炭行业的迅猛发展，在追求煤炭高产量的同时矿井灾害的预防也显得愈发的迫切，在灾害事故中透水事故占煤矿易发事故比例较大，因此合理有效的预防透水事故发生是保护工人安全作业的重要保证，其中对于钻孔水压、温度，以及明渠流量与管道流量的监测是预防透水事故发生的重要指标。因此本篇论文以精确测量钻孔水压为核心，通过对水压参数的监测，间接控制水箱中潜水泵的启停状态，达到水文监测与控制的双重目的。

同时，上位机显示界面采用SQL数据库与Delphi,C#进行设计，界面友好，易于操作。不仅能实时显示数据变化，而且还能对数据进行存储，绘制曲线，打印报表等，当发生故障时，还可以及时进行声光报警等。

综上，从功能方面考虑，该系统上位机与下位机均已达到煤矿要求，从安全方面考虑，根据国家煤矿安全标准，对其所规定的监测项目进行相关实验，实验结果表明系统在恶劣条件下工作安全稳定，因此该系统不仅在功能上满足要求而且在安全性能上也满足要求，为煤矿的安全生产提供强有力的保证。

1 矿用排水监控系统整体结构

矿用排水监控系统在设计上采用了模块化思想,由传感器模块（水压、温度、流量）、信号采集模块、CAN总线通讯模块、电源模块、I/O隔离模块、主机与从机模块、上位机显示模块组成，系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

主机的功能为：向从机发送命令，命令主要分为三种：1、控制从机采集数据时间间隔；2、控制水泵启停；3、选择从机编号。

从机功能为：采集4-20mA信号并对所采集的信号进行判断，若达到上限值则进行启泵操作。

CAN通讯模块的功能为：将串口232协议转换成CAN信号协议，它是不同协议之间转换的一个桥梁。

其整体工作流程为：首先，上位机通过主机与CAN通信模块向从机发送命令，即选择从机编号，当对应从机收到命令后则进行电信号采集，采集后进行判断比较，如果达到上限则开启水泵抽水，直到抽取到设定下限位置，相应的数据会通过CAN通信模块与主机返回给上位机。流程如图2所示。

图2 工作流程图

同时，上位机将接收到的数据存入SQL数据库中进行保存，在主显示界面实时在线显示水压、温度、流量等数据信息，根据用户需要也可用曲线的方式进行显示，并进行报表打印。

主机从机控制器如图3所示。

图3 主从控制器

2 矿用排水监控系统的硬件设计

2.1 ATmega16 的结构和性能特点

1997年，美国ATMEL公司挪威设计中心处于市场需求的考虑，将先进的Flash技术与8051单片机集合从而推出了全新配置的精简指令集8位单片机，简称为AVR单片机。ATmega16是该公司在2002年推出的一款新型AVR高档单片微处理器。

其主要的优点为：

1）芯片本身自带1kB的SRAM 数据存储器、16kBFlash程序存储器、512B的EEPROM。

2）集成丰富的外设，看门狗电路、I2C、SPI、RTC以及8 通道10 位A/D转换、PWM发生器等；

3）I/O驱动能力强，可直接驱动LED。

4)采用RISC指令系统CPU，采用哈佛结构的流水线技术。

2.2 电源模块

由于井下要求为防爆电源，为127V交流电，所以选用深圳星德科技KDW0.1/660型号的电源，此电源输出为18V与12V，18V为传感器电源，12V为控制器电源，由于ATmega16、CTM8251T、SJA1000所需电压均为5V，所以DC-DC模块选择MORNSUN公司的PWB2405CS-2W型号。

其外接电路如下：

C1、C2为10uF,Cout为100uF,根据实际情况此电阻可不接，3脚电路也可不接（R）

图4 电源电路原理图

2.3 键盘模块和显示模块

通过键盘模块设置相关参数，如传感器线长、水位标高等，并将这些工作参数存储于Atmega16的数据存储器中。当下次使用时,不需要用户再次输入相关参数,使该系统具有记忆功能。

显示模块采用PC机，正常运行时显示水位、温度、流量、电源供电情况、串口使用以及波特率的设置情况。发生故障时以模块化进行显示、如AD模块是否工作、电源模块是否供电、通讯模块是否正常等，以便于在出错的情况下进行维修，并且当串口线接触不严的情况下，采用声光报警，以提醒人们进行连接。

2.4 I/O隔离模块

IDP1404LD是广州周立功推出的数据通道和电源通道双隔离的I/O隔离模块（IDP系列）。根据其自身的特点主要应用在输入输出需要信号隔离和电源隔离的情况，例如时钟信号隔离，数字信号隔离，GPIO隔离。

IDP系列I/O隔离模块具有隔离特性好，共模抑制能力强，体积小巧、使用温度范围宽，简单易用等特点，其电路原理图见图5。

图5 I/O隔离模块原理图

2.5 CAN通讯模块

CAN通信模块采用SJA1000+CTM8251T的芯片组合。CTM8251T是一款带隔离通用CAN收发芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及收、发器件，这些都被集成在不到3平方厘米的芯片上。芯片的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且有DC2500V的隔离功能。

2.6 信号采集模块

ZCM2000系列隔离变送器，是一种前级4-20mA电流信号输入，后级多种类型信号输出的有源信号隔离变送器。内部采用电磁隔离技术，实现4-20mA标准信号的高精度线性度隔离。模块内部嵌入一个高效微功率电源，可以向信号输入级提供一路隔离电源。ZCM20XX系列模块电源输入、信号输入、信号输出与配电输出相互隔离，隔离电压高达3000V DC，精度和线性度达到0.1%。其电路原理图以ZCM2001D为例如图6所示。

图6 信号调理模块原理图

2.7 硬件电路改进

1)针对电路接触不严等问题，采取PCB板代替实验板，并在PCB制板过程中采取了抗干扰措施，例如数字地和模拟地分开布线；电源线和地线独占一层；采用0欧电阻进行隔离；合理配置去耦电容等。

图7 水泵启停中断服务函数

2)针对微处理器死机、复位等问题，采取软硬相结合的措施。硬件方面：采用光电隔离技术；软件方面：关键出口验证；设置标志位；在RAM中设定上电复位标志；对通信发送指令等采用指令冗余技术。

3 矿用排水监控系统的软件设计

3.1 下位机主程序设计

矿用排水监控系统的软件设计也采用模块化的思想，用C语言编程实现。软件的各个功能模块之间通过入口和出口参数相互联系，可以缩短开发周期。以下分别为水泵启停中断服务函数如图7所示、启泵状态检测函数如图8所示以及主程序流程图如图9所示。

图8 启泵状态检测函数

图9 主程序流程图

其主程序流程为：首先，单片机各个I/O口初始化，AD采集数据，然后对CAN总线发来的信息进行判断，如果启泵标识位为1，则开始启泵状态检测，检测状态如果正常则发送采集到的数据给主机，如果水泵状态异常则进行停泵操作，如果停泵标识符为1，则进行停泵操作，然后发送数据给主机，最后判断采集到的数据是否达到水位上限值，如果到了则进行启泵操作，然后启泵状态检测，正常则发送数据，故障则停泵。

3.2 上位机显示模块程序

系统软件基于Windows NT多任务、多线程操作系统的图形用户软件，系统软件功能强大，适用性强，操作简单，界面友好。系统采用Microsoft 基于Windows NT数据库系统 SQL Server管理和维护现场实时监测数据，系统具有极高的可靠性和运行效率。系统可方便地扩展到多级管理模式，扩大系统的应用范围。系统实时性强，因对所有的监测数据进行数据库管理，系统提供快捷、方便、灵活的报表打印功能以及相应的数据备份、恢复等高级数据库管理功能。如图10所示：

4 结语

本次设计，以模块化的思想对电路进行设计，分为信号采集模块、can总线通讯模块、电源模块、I/O控制模块、上位机显示模块等，经过实验室3个月的实验，期间没有出现故障现象，但测量精度上有较小波动，有效减小误差可以作为我们后续研究主题，为后续现场实验奠定基础。

图10 上位机界面

[1]潘朝霞,殷慧中,王毅.基于Atmega16 单片机的电磁敏感测量系统的研究[J].自动化技术与应用 ,2005,24(2):63～65.

[2]王幸之,翟成,王闪.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京航空航天大学出版社,2000:56～57

[3]于彭波.电子式电能表的硬件抗干扰电路设计[J].仪表技术 ,2008,(8): 60～64.