基于Windows CE的矿用排水监控系统设计

谭长森， 张珂

(天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015)

0 引言

井下泵房排水系统是煤矿生产的四大主要系统之一，担负着排出井下采掘出水及其他场所渗水的重任，对保证矿井安全起着至关重要的作用。目前的井下泵房排水控制多采用人工操作方式，操作工通过目测水位和水位变化率决定水泵开停，人工操作方式存在以下问题：

1) 劳动强度大。人工启停水泵，需要操作工去手动操作被控设备的开闭，尤其是主管道闸阀的开关，大力矩的闸阀甚至需要两个人同时操作才能转动手柄，劳动强度非常大；

2) 安全性低。排水过程需要实时监测水泵、电机和闸阀等设备的运行状态，出现问题及时处理，而矿井排水由于经济原因通常安排在深夜进行，此时人的注意力最弱，采用人工监测容易出现生产事故；

3) 可靠性、效率低。人工目测水位和水位变化率等现场参数决定开停水泵对操作工的经验依赖性较大，开停水泵流程复杂，人工操作时间较长，效率较低。

针对以上缺点，基于矿井排水泵的排水工艺及现场实际工况要求[1-2]，设计了一种基于WINCE嵌入式操作系统的矿用排水监控系统[3]。该系统采用WINCE操作系统为控制核心，设计了数据采集、控制、故障处理等模块，该系统避免了人工操作的缺点，满足了矿井自动化排水的需求。

1 排水监控系统总体设计

采用SAM3221为中央控制器，该控制器支持串口、CAN接口、以太网接口、触摸屏接口及音频接口，运行速度快，可靠性高，接口资源丰富，能满足监控系统的可靠性、数据处理实时性等要求。基于SM3221的排水监控系统总体设计，如图1所示。

图1 总体系统结构

2 硬件电路设计

硬件电路设计包括核心控制器、电源模块、模拟量采集单元、开关量输入输出单元，人机交互单元(键盘、鼠标及显示屏)、通信单元(CAN、RS-485和以太网)[4]。

1) 核心控制器。SAM3221核心控制器主要功能为通过接口模块及通信接口接收外围传感器及其他设备传送的各种数据，根据预先设定的软件流程进行相应的处理，配合显示屏显示各种运行状态，将数据综合处理后发送到数据传输接口，以供其他系统或设备读取数据进行相应的处理。

由于SAM3221核心控制器没有直接采集开关量输入、输出及模拟量采集单元的接口，不能直接接收和处理外部的各种开关量和模拟量信号，故系统设计了接口模块，由接口模块采集开关量输入、各种模拟量的信号，经数据转换后通过总线通信方式传输给核心控制器，同时将核心控制器的控制命令通过接口模块的转换对外输出信号。

SAM3221的外围电路中比较重要的是晶振电路和复位电路。SAM3221有内置产生振荡频率的电路，但其精确度较低，不满足数据处理实时性的要求，本设计选择使用外部精密石英晶振来达到系统对精度要求；复位电路对于控制系统非常重要，为了满足需要设计看门狗复位电路，用以实现手动和自动复位；通过监控芯片MAX706ESA，检测引脚电平判断是否正常工作，当出现异常即拉低电平实现主控制器的复位。

2) 模拟量采集电路[5]。模拟量采集模块的功能是采集温度、流量、水位压力及流量等电参数的值，系统采用模数转换的方式把模拟量数据转换为数字信号，通过接口模块传输到主控制器进行相关处理，典型的模拟量采集电路为温度采集电路，图2为温度采集部分硬件电路图[6]，温度采集选用惠斯通电桥的三线制接法[7]。

其中X1的1、2引脚接PT100铂电阻的公共引脚，3引脚接PT100铂电阻的另一引脚，REF1为参考电压，AIN10为比较电压，AIN1点的电压随着PT100电阻值变化而变化，值得注意的是，因为AIN10和AIN1间的电压差极微弱，任何影响因素都将加大测量误差，电阻R2、R4和R5必须选用低温漂的精密电阻。

图2 数据采集部分电路原理

3) 总线传输接口电路。SAM3221的串口、CAN接口等通讯需与外部通讯信号采用隔离措施，以保护控制主控制器的安全性，图3为CAN总线传输接口的电路图[8]。CAN信号经过D6隔离后，进入CAN总线收发器D7后对外进行数据通信，R60为CAN总线匹配电阻，若数据传输距离较远，则匹配电阻投入后可以改善传输性能。

3 WINCE嵌入式系统软件设计

软件设计是本系统设计重要的组成部分，是整个监控系统设计的灵魂，硬件设备和电路只能在软件逻辑控制下才能实现系统设计的功能。系统软件采用基于WINCE开发环境下的Visual C++设计的应用程序编写[9]，对应硬件电路设计部分，软件设计分为数据采集模块、控制模块、就地显示模块、数据远程传输模块及监控系统参数配置模块。

1) 数据采集模块。负责采集现场的模拟量和开关量的状态，比如压力传感器、流量传感器、温度传感器和水位传感器等模拟量信号；各种控制命令、电机状态等各种开入量信号，模拟量采集部分最难处理的为温度采集部分的软件设计，铂热电阻变化和所代表的温度值为非线性关系，软件设计中只能采用分段线性化来处理(本部分采用C语言[10]编写从而实现分段采集，分段处理)。

图3 CAN总线传输接口原理

2) 参数配置模块。主要是配置系统运行必须的基础数据和系统监测过程的各种信号的门限值，其基础数据包括采集信号通道的配置、采集信号的种类、数据传输协议的配置及控制逻辑的配置等；信号的门限值包括各种传感器的报警门限、停机门限及信号延迟响应时间等数值。

3) 控制模块。控制模块为监控系统的核心模块，主要是根据对系统各类数据的判断、比较后输出相应的控制命令，从而控制各类执行机构的动作，完成对排水系统相关被控设备的启停控制。

4) 故障处理模块。根据数据采集的结果和配置模块的各类门限值进行判断，如果在门限值之内，不进行任何动作，如果在门限值之内，输出错误的类型到控制模块，由控制模块输出相应的动作；

5) 数据远程传输模块。此模块的作用是将本地监控系统中的各类模拟量、开关量信号通过指定的传输接口远程传输到地面监控上位机或其他设备进行显示，并接收其控制命令，从而执行相应的操作；

6) 就地显示模块。此模块的作用是将各类传感器的数值、状态和被控设备的运行状态发送到显示屏显示，供相关人员了解设备的运行情况。

4 排水监控系统现场验证情况

基于WINCE的矿用排水监控系统在神华集团枣泉煤矿、淮南矿业丁集煤矿、冀中能源东庞煤矿及铁煤集团大强煤矿等不同地域、不同条件矿井分别进行了功能验证试验，其中最有代表性的为丁集煤矿。其中央水泵房距地面约900 m，矿井条件具有井深、地压高及涌水量大等特点，水泵排水具有水压高、排水管径大等特点，人工开泵时闸阀开闭时间长，由于开闭过程高水压对闸阀的阀芯损伤大，其闸阀更换频繁，且高水压状态下人工操作危险性较大。

现场实际验证表明：该系统运行稳定，由监控系统自动控制闸阀、电动机等设备，降低了水泵操作工的劳动强度；对排水过程出现的问题能够根据程序预设的流程进行相应处理，提高了水泵运行中的安全性。丁集煤矿的系统自动控制加快了闸阀开闭的速度，降低了闸阀阀芯的损坏率，节约了材料成本。

5 结论

通过分析煤矿水泵房人工操作中主要存在的问题，设计了一种基于WINCE嵌入式系统的矿用排水监控系统。该系统已通过国家相应检测检验机构的认证，在各种类型、区域的矿井进行了实际应用。应用结果证明，基于WINCE嵌入式排水监控系统具有可靠性高、安全性好等特性，既减轻人工开泵的工作强度，又增大了水泵运行的安全性，可满足矿井自动化排水的需要。