沈金強

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，太原 030052）

0 引言

煤礦瓦斯通常以吸附和游離狀態(tài)存在于煤體及圍巖中，當?shù)V井內(nèi)瓦斯與氧濃度達到爆炸極限時，極易因明火引爆造成嚴重的煤礦安全事故[1]。在相關政策的扶持下，目前國內(nèi)相關煤礦對瓦斯抽采泵站的自動化改造正在如火如荼地開展[2]。本文主要設計方案以及研究重點集中在被測量的采集方式、通訊方式、處理方法上，將瓦斯?jié)舛?、泵體震動、環(huán)境溫度，環(huán)境濕度以及空間位置作為監(jiān)測對象，設計了完整的通訊電路、儲存電路、AD轉換電路等。

1 監(jiān)測總體設計方案

1.1 系統(tǒng)設計要求

煤礦瓦斯抽采泵自動化系統(tǒng)包含：上位機及軟件、網(wǎng)絡（通訊）接口、傳感器系統(tǒng)以及控制器系統(tǒng)。工作特點：暴露環(huán)境的瓦斯?jié)舛葹榫伦罡咧?、泵體維護較難、維修工作地點距離較遠。其中工作的設備和軟件共同作用，實現(xiàn)瓦斯抽放管道、設備環(huán)境等參數(shù)的實時監(jiān)測以及相關設備的自動控制[3]。同時在保證被監(jiān)控設備的同時，監(jiān)測系統(tǒng)對于自身的工況也做了分析和監(jiān)測，保證自己不出現(xiàn)故障，不出現(xiàn)自身故障導致的連鎖反應。

1.2 整體系統(tǒng)設計方案

煤礦瓦斯抽采泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結構圖如圖1所示，控制應用模塊的主控芯片選型為MSP430F5438A單片機，MCU的最小電流會在150μA以下，隨機存取存儲器保持模式下的最低功耗只有0.1μA。在無限距離通訊過程中采用的是Zigbee技術，傳輸至總機后遠程數(shù)據(jù)傳輸中采用RS-485通訊協(xié)議，通過差分信號邏輯進行數(shù)據(jù)傳輸，引號輸送的最遠距離在波特率為9 600 h可以達到1 500 m，在井道布線中，采用帶屏蔽隔離雙絞線作為總線，將各個主要工作節(jié)點連接起來使得整個礦井構建一個全方位立體的網(wǎng)絡，當數(shù)據(jù)流到達終端時，將協(xié)議電平方式換為常用的USB。方便微機系統(tǒng)的接入，建立其相對應的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

系統(tǒng)按照功能模塊可以分為采集計量檢測模塊、系統(tǒng)自身監(jiān)測模塊、環(huán)境檢測模塊、遠程通訊模塊、控制應用模塊，其模塊構成如圖1中所示。

圖1 系統(tǒng)模塊組成圖

該套檢測系統(tǒng)中，井下的無線通訊為Zigbee通訊方式，進入數(shù)據(jù)庫時的方式為485總線。圖2所示礦井下通訊示意圖。其中的3個監(jiān)測節(jié)點代表了整個礦井的檢測網(wǎng)絡，瓦斯監(jiān)測路由是通向地面的總線。這樣無線網(wǎng)絡結合有線網(wǎng)絡的方式降低了數(shù)據(jù)丟失和故障引起的連鎖反應。

圖2 通訊方式示意圖

2 監(jiān)測平臺系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控制器選型

控制應用模塊采用的MCU選型為MSP430F5438A單片機，它本身具有優(yōu)質(zhì)、優(yōu)秀的尋址方式（5種以上源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、精簡指令集，主要體現(xiàn)在其內(nèi)部簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令。此單片機的處理能力十分強大，并且運算速度很快，在工作時可以保證低功耗的要求，片內(nèi)資源豐富，具有便捷高效的開發(fā)環(huán)境。此單片機可以在-40～+80℃的工作環(huán)境中正常運作，達到了礦井工作現(xiàn)場對MCU的溫度要求。

2.2 采集計量檢測模塊報警電路設計

在瓦斯抽采泵的檢測計量預警系統(tǒng)中，抽采泵的電機電流、電壓、溫度、抽采泵內(nèi)壓力等重要參數(shù)被監(jiān)測。通過對所采集回的數(shù)據(jù)進行分析，判斷其是否處于正常數(shù)值范圍內(nèi)，決定報警器是否有必要發(fā)出報警信號。

圖3為本系統(tǒng)所采用的聲光報警器設計的電路原理圖，它由信號放大單元，使能單元等部分組成。表1所示為所用主要傳感器參數(shù)。其中包含了紅外甲烷傳感器、溫度傳感器、V型錐流量傳感器、開停傳感器、供水傳感器、液位傳感器、本安型可編程控制箱，多傳感融合的綜合檢測站。

2.3 遠程通訊模塊的設計

在各個國家的礦業(yè)生產(chǎn)中，礦井下的通訊主要是無線通訊。因為走線復雜且不易維修，此時無線通信的優(yōu)點突出。礦區(qū)各個瓦斯抽采泵傳感器節(jié)點連接成的監(jiān)測點組成的整張網(wǎng)絡由Zigbee無線技術通過網(wǎng)絡互連起來，其具有安全系數(shù)高、平臺搭建靈便、調(diào)整性好。瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑捎肐R14BD，該款傳感器的功耗在同類型產(chǎn)品中最低，所達到的能源消耗最小，適合礦井的工況條件。

瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用RS-485通訊協(xié)議，具有傳輸距離遠、抗干擾能力強的特點。芯片選型為MAX1485，該芯片是馬克西姆公司生產(chǎn)的專門用于RS-485通訊的芯片，靜態(tài)電流0.3 mA。這些收發(fā)器在驅(qū)動器禁用的空載或滿載狀態(tài)下，吸取的電源電流0.12～0.5 mA。

圖3 報警電路原理圖

表1 傳感器參數(shù)

通往數(shù)據(jù)終端的通訊電路設計如圖4所示，MSP430F5438a單片機的R01、TX0引腳分別接MAX485芯片的DI和R0引腳，進行數(shù)據(jù)的傳輸。MAX485芯片的二腳和三腳作為收發(fā)控制的引腳，并聯(lián)后接在單片機的引腳上，電平在2.7～3.3 V時，MCU發(fā)送數(shù)據(jù)；電平在0～1.2 V時，MCU接收數(shù)據(jù)。為了電平的穩(wěn)定性，將1個120Ω的無感電阻接在傳輸線A和傳輸線B之間。

2.4 采集計量檢測模塊設計

采集時控制芯片采用MSP430單片機，電壓模擬量可以通過A/D引腳直接進行電壓采集，對于氣體傳感器的部分模擬量輸入的傳感器，需要進行AD轉換，轉化為數(shù)字信號。AD轉換芯片選擇為ADS1232，ADS1232具有高達24.0的有效位，增益設置為64時，無噪聲分辨率可達19.2位[4-5]。由于MSP430的模擬量通道精度不夠，所以采用該款高精度芯片進行模擬量的采集，該芯片有2種工作方式，一種是給它固定電平進行采集，另外一種時通過電橋的相對電平確定所采集電壓的等級。

圖4 終端通訊電路

3 系統(tǒng)軟件程序設計

3.1 主程序設計

MSP430的程序需要通過IAR軟件進行編程，主程序流程如圖5所示。監(jiān)測系統(tǒng)上電后，首先MCU中的寄存器清零，關看門狗。清中斷位，并對系統(tǒng)的A，B時鐘配置，對比較器設置，初始化采集轉換芯片ADS1232，數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)判斷是否需要出發(fā)聲光報警裝置，數(shù)據(jù)采集完成后需要對數(shù)據(jù)處理和儲存。通過比較器的協(xié)作，判定數(shù)據(jù)的范圍，確定機器設備實施的工作情況，確認環(huán)境條件是否滿足繼續(xù)生產(chǎn)的需求，在檢測的同時達到準確接收不丟失，保證數(shù)據(jù)的完整性[6-8]。

3.2 上位機軟件設計

3.2.1 VB軟件編程特點

VB用在傳統(tǒng)的工業(yè)控制上較多，其開發(fā)環(huán)境較簡單也較快捷。可以在Windows操作系統(tǒng)系進行程序設計和前端界面的設計，用戶可以利用C語言進行程序設計，在窗口設計中，實現(xiàn)多種不同功能的軟件的結合。在煤礦抽采泵綜合檢測系統(tǒng)的上位機設計中，通過VB后面板編寫程序前端設計界面，并導出應用程序，安裝到現(xiàn)場的服務器總機上，就可以通過串口接收和顯示數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)絡云端。

3.2.2 上位機界面

瓦斯抽采綜合檢測系統(tǒng)上位機具有實時數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)存儲的功能，上位機界面如圖6所示，根據(jù)數(shù)據(jù)通信的需求，可以選擇不同的網(wǎng)絡通行串口，在實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的處理中，可以直接導出數(shù)據(jù)庫文件如下圖右側所示既可以顯示實時數(shù)據(jù)，也可以調(diào)出歷史數(shù)據(jù)方便查詢，將數(shù)據(jù)保存至云端。

圖5 程序執(zhí)行流程圖

圖6 上位機界面

4 結束語

煤礦瓦斯抽采泵綜合檢測系統(tǒng)在運行中，必須具備反應快，測量準確，功耗低的特點。本文利用MSP430單片機為主要控制芯片設計瓦斯抽采泵設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，旨在針對瓦斯抽采環(huán)節(jié)出現(xiàn)的一些問題進行實時監(jiān)測和保護，使得瓦斯抽采泵工作環(huán)境安全以及整個礦井的瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)。對系統(tǒng)中相關的硬件電路進行設計。利用VB程序設計相關上位機可視化GUI界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，存儲，調(diào)用，查詢以及后續(xù)的搭建神經(jīng)網(wǎng)絡訓練數(shù)據(jù)庫。