李高清

（隴東學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

電氣自動(dòng)化技術(shù)在礦山建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備及配套設(shè)施的自動(dòng)化控制，其中數(shù)據(jù)采集是電氣自動(dòng)化正常運(yùn)作的關(guān)鍵，電氣自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)針對(duì)每一類(lèi)要素獨(dú)立采集，克服地質(zhì)環(huán)境對(duì)自動(dòng)化設(shè)備采集的影響，礦山中粉塵、振動(dòng)以及氣候環(huán)境的潮濕性等，這些差異都會(huì)影響自動(dòng)化設(shè)備做出及時(shí)的反饋信息，檢查礦山建設(shè)是否正常作業(yè)，檢測(cè)礦山工作位置是否出現(xiàn)故障，以及檢查電流電壓以及線路故障等，當(dāng)?shù)V山建設(shè)中產(chǎn)生劇烈振動(dòng)時(shí)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，從而保證技術(shù)人員的人身安全。

1 礦山電氣自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)通訊接口電路

通訊接口電路是電氣自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要硬件設(shè)備，用于調(diào)試系統(tǒng)內(nèi)部電路。本系統(tǒng)調(diào)試接口所選用的核心微處理器為T(mén)M4C123GXL開(kāi)發(fā)板，是一款基于ARM Cortex-M4F內(nèi)核的微控制器，開(kāi)發(fā)板輸出信號(hào)主要通過(guò)虛擬串口PA0、PA1進(jìn)行輸出，配有USB 2.0器件接口和休眠模塊，通過(guò)RS-485總線及485轉(zhuǎn)232轉(zhuǎn)接頭，使通訊接口電路采用可堆疊接頭，可用于自定義應(yīng)用的可編程用戶按鈕，主頻80MHz，另配置256kB閃存以及32kB靜態(tài)內(nèi)存，將虛擬串口輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為485電平，從而完成與上位機(jī)的連接[1]。

TM4C123GXL開(kāi)發(fā)板選用MAX485接口芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，當(dāng)開(kāi)發(fā)板卡連接通訊接口時(shí)，調(diào)試設(shè)備的同時(shí)提供一個(gè)虛擬串口，與開(kāi)發(fā)板的PA1和PA0連接，自帶一個(gè)板上仿真接口ICDI，從而放大或縮小線圈輸入的電流電壓，通過(guò)整流濾波處理電路信號(hào)，對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大。通訊接口的RO端口和DI端口分別作為接收器的輸出端和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，對(duì)礦山電氣進(jìn)行采集的過(guò)程中，MAX485上A和B端口分別接收和發(fā)送信號(hào)端，進(jìn)行濾波降噪以及信號(hào)整流，使MAX485工作在半雙工狀態(tài)，RE和DE端口作為使能端放大電路，引腳控制通訊調(diào)試接口的開(kāi)發(fā)板，從而完成通訊接口電路的設(shè)計(jì)。

1.2 設(shè)計(jì)前端采集電路

在礦山電氣自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，前端采集電路是采集電壓信號(hào)和電流信號(hào)的重要硬件設(shè)備，使系統(tǒng)電路具有更好的適配性和通用性。電路設(shè)計(jì)采用微控制器內(nèi)部12位ADC，對(duì)電壓型信號(hào)進(jìn)行AD處理，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換[2]。當(dāng)采集電流信號(hào)時(shí)，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，當(dāng)采集電壓信號(hào)時(shí)，將電壓信號(hào)進(jìn)行分壓處理，從而擴(kuò)展采集電壓的范圍，信號(hào)采集過(guò)程中，通過(guò)RC濾波器連入微控制器的ADC管腳，通過(guò)采集電路最前端的串聯(lián)電阻，區(qū)分電壓和電流信號(hào)。

前端對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過(guò)電壓跟隨器流入后端，確保信號(hào)的質(zhì)量和采集的精度，并配置電壓跟隨器，使輸入阻抗較高、輸出阻抗較小，減小電路對(duì)輸入信號(hào)源內(nèi)部阻抗的影響，保證輸入阻抗達(dá)到幾兆歐姆或者幾十兆歐姆，從而起到緩沖隔離的作用，并且提高系統(tǒng)的帶載能力。保證采集電路輸入高阻抗、輸出低阻抗的特性，輸出阻抗通常低于幾歐姆，減小對(duì)后端處理電路的信號(hào)精度影響，起到阻抗匹配的作用，使得后一級(jí)的放大電路更好地工作，從而提高整體采集精度，從而完成前端采集電路的設(shè)計(jì)。

2 礦山電氣自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集流程

設(shè)計(jì)礦山電氣自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集流程，是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文系統(tǒng)采用ADCn端的模擬輸入連續(xù)跟蹤流程，對(duì)礦山電氣自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，對(duì)自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行取樣，啟動(dòng)ADC的CNVSTR信號(hào)，當(dāng)?shù)V山電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，得到ADC轉(zhuǎn)換信號(hào)，以A/D轉(zhuǎn)換的跟蹤周期，決定其內(nèi)部的ADC選擇是否采用跟蹤采集方式。

當(dāng)ADnTM位置為1時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部ADC開(kāi)始進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部模塊進(jìn)行低功耗的跟蹤采集。至此完成電氣自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程的設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集指令

數(shù)據(jù)采集指令應(yīng)用于終端設(shè)備與控制機(jī)之間的通信，本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用AT模塊，識(shí)別多種數(shù)據(jù)采集指令。發(fā)送礦山電氣數(shù)據(jù)采集指令，最多可以接收1056個(gè)字符的長(zhǎng)度，由終端設(shè)備主動(dòng)向PC端報(bào)告的URC指示或者response響應(yīng)，每個(gè)AT命令行中只包含一條AT指令。具體配置指令如下表所示：

表1 數(shù)據(jù)采集指令配置

AT指令以回車(chē)作為結(jié)尾，從終端設(shè)備向數(shù)據(jù)電路終端發(fā)送控制指令，響應(yīng)以回車(chē)換行為結(jié)尾，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集指令的控制，至此完成電氣自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。結(jié)合硬件和軟件設(shè)計(jì)，完成電氣自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

為保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行有效性，將本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電氣自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬了礦山建設(shè)中的電氣系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采集信號(hào)電壓范圍輸入0～12V，電流范圍輸入0～20mA，設(shè)置礦山建設(shè)中常見(jiàn)的電氣系統(tǒng)故障，即線路阻抗故障，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，從而提取該故障的采集數(shù)據(jù)。兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，支持串行工業(yè)總線通信GSM無(wú)線通信，通過(guò)串口連接PC機(jī)，測(cè)試前設(shè)置好串行通信格式，通過(guò)PC端串口助手觀察系統(tǒng)對(duì)線路阻抗故障的數(shù)據(jù)采集情況，如圖所示。

圖1 串口接收故障數(shù)據(jù)情況

為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，共設(shè)置10次實(shí)驗(yàn)，并記錄兩個(gè)系統(tǒng)測(cè)試時(shí)的故障診斷時(shí)間，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示：

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

根據(jù)上表數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出在10次測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)線路阻抗故障的平均診斷時(shí)間，傳統(tǒng)電氣自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的故障診斷時(shí)間平均為7分23秒，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的故障診斷時(shí)間平均為4分26秒，相比傳統(tǒng)系統(tǒng)縮短了2分57秒，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)礦山建設(shè)產(chǎn)生電氣故障，傳統(tǒng)系統(tǒng)診斷時(shí)間存在較大時(shí)延的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)礦山電氣自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證，表明了該系統(tǒng)的可行有效性，提高了礦山電氣設(shè)備的管理工作效率。但本次實(shí)驗(yàn)在細(xì)節(jié)上仍存在不足，只針對(duì)線路阻抗故障進(jìn)行測(cè)試，而在礦山實(shí)際建設(shè)電氣系統(tǒng)中，故障類(lèi)別更加多樣，因此在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，還需與礦山建設(shè)的實(shí)際情況相結(jié)合，加強(qiáng)深入研究試驗(yàn)，保障自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用。