煤炭注浆系统数据采集总体设计

王亚楠+宋海宽

摘 要：在煤炭开采中，为了更好地完成对水、电、煤等能源介质的调度和配置来达到节能降耗的目的以及对岩层注浆时运行状态进行监测，我们就需要建立一套有效并且稳定的自动化信息获取系统对煤矿生产过程中的压力参数和机械参数等进行采集和处理。由于煤矿中生产设备复杂、需要测量的测点多，本文主要针对煤矿注浆过程中压力测量展开研究，设计了煤炭注浆系统数据采集硬件部分为煤炭注浆工艺提供参考。

关键词：嵌入式；数据采集；Modbus

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.075

在系统设计之前，首先要深入了解系统的总体构架、明确现场注浆系统的确切要求、需要解决的实际问题以及要实现的功能等等，只有这样才能够根据要求来确定系统的实现方案。

1 煤炭注浆系统数据采集监测平台框架设计

在本系统方案中，基于ARM的嵌入式多功能数据采集装置为系统的核心，并将采集到的压力和流量等来自现场设备的数据经过一系列的数据处理后通过现场总线或者以太网传输至工作站进行监控和管理，同时还可将数据保存在数据库服务器的实时历史数据库中，并且也可以通过Web服务器在煤矿的局域网内实现信息的发布。

嵌入式数据采集与监测系统可以通过串口、现场总线、工业以太网等通信方式从DCS、DEH、SIS、PLC、RTU等系统读取现场设备各个测点的数据，并将数据通过Modbus总线传输至各个工作站。若利用串口进行数据的传输，嵌入式监测系统在Modbus网络上的通信方式可以设置为两种传输模式： ASCII模式或RTU模式；若利用TCP/IP以太网进行数据的传输，系统的通信采用Modbus/TCP协议[1]。

2 煤炭注浆系统数据采集系统的总体设计

煤层注浆考虑到了科学化、实效性强的特点，采集难度较高，开发高效的嵌入式硬件系统平台是确保采集的数据准确和可靠的前提。本文设计的硬件总体设计框图如图1所示。

系统设计的是基于ARM的多功能数据采集装置，采用32位嵌入式ARM内核的Cortex-M3系列微处理器作为硬件平台的核心，从嵌入式技术在数据采集系统中的应用出发，考虑到嵌入式微处理器既要保证数据采集的准确性、稳定性和快速性，又要完成串口通信和网络通信等功能，所以在选择嵌入式微处理器的时候，就要求该嵌入式微处理器运行速度足够快，同时又要能够移植μC/OS-II嵌入式实时操作系统和嵌入式TCP/IP协议栈，且还需要一定容量的ROM和RAM[2]。

3 煤炭注浆系统外围电路设计

系统的硬件电路不仅包括由基本的程序启动模式设置电路、时钟配置电路、复位电路、JTAG电路等组成的最小系统电路，还包括由电平转换电路、信号处理和转换电路、串行通信接口电路、以太网通信接口电路、数据采集单元地址设定电路和控制输出电路等组成的外围电路，系统的硬件设计采用模块化设计的原则[3]。

3.1 信号处理和转换电路

信号处理和转换电路主要由前端信号处理电路、通道切换电路和数据采集电路组成。信号预处理电路完成的是将-5～+5V的直流电压经过增益调整、电平变换等处理转化为A/D转换所允许的电压范围以及将热电偶（TC）、热电阻（RTD）输出的毫伏级电压信号或者电阻信号经过一些处理，如经过低通滤波、增益调整等处理后转化为较大的电压信号；通道切换电路完成的是将经过信号处理电路转化后的电压信号经过多路选择开关CD4051完成对不同通道的选择；数据采集电路完成的是将选中通道输出的电压经过电压跟随器后送入A/D转换电路进行数据的采集。

3.2 控制输出电路

在自动化系统中，经常需要对现场设备的物理量进行自动控制，如当温度越限或者压力过高时需通过控制阀门或者其他执行机构动作保持温度和压力在正常的范围内，为此本系统设计了2路0～5V电压模拟量输出电路、2路4～20mA电流模拟量输出电路，4路开关量输出电路和4路继电器输出电路。

3.3 通信电路

为了尽可能地满足工业现场的需求，同时为了方便今后系统通信协议的扩展，本文设计了2个RS232串行通信接口、1个RS485串行通信接口和1个以太网通信接口。STM32F107微处理器内部含有5个工业标准UART，为了防止因其中一个RS232串行接口异常而导致系统不能进行RS232串行通信，系统设计了2个RS232串行通信接口用作冗余，且设计时使用UART1和UART2。

4 结论

本章主要针对煤炭注浆系统数据采集系统进行了总体硬件设计，首先对嵌入式微处理器进行了必要性的选择，接着对其外围电路进行了简单的设计，其中包括信号处理和转换电路、控制输出电路、通信电路等，全文给出了硬件总体设计的思路，为煤炭注浆数据采集监测系统提供了参考。

参考文献：

[1]王琳，商周，王学伟.数据采集系统的发展与应用[J].电测与仪表，2004，41（08）：4-8.

[2]彭道刚，张浩，李辉等.基于Modbus协议的ARM嵌入式检测平台设计与实现[J].电力自动化设备，2009，29（01）：115-123.

[3]孙文.多通道数据采集系统的设计与实现[D]：[硕士学位论文]. 长沙：湖南大学，2013.

作者简介： 王亚楠（1991-），男，河南平顶山人，硕士学位，学院在职老师，研究方向：高压电绝缘。