基于ARM的矿井水情监测与自动抽排控制系统设计

华中科技大学硕士学位论文基于ARM的矿井水情监测与自动抽排控制系统设计姓名：杜小璐申请学位级别：硕士专业：系统工程指导教师：朱明富20090529华中科技大学硕士学位论文I摘摘摘摘要要要要本文对比了当前国内效率低下、安全性能差的传统矿井排水系统，针对山西中小煤矿的具体要求和实际情况，提出了一种基于ARM处理器的矿井水情监测与自动排水控制系统设计。该设计对传统排水系统作出了技术改造，并提出通过无线以太网远程监控、井上中控室内监控与井下控制器监测从而对水泵站实现自动控制的网络控制系统。系统同时配置了利于安全生产的整套冗余设备，弥补了传统排水系统继电器加人工控制的种种缺陷与不足，提高了工作可靠性和稳定性，具有使用寿命长、维护方便以及可远距离监控的特点。同时，系统考虑到在矿井恶劣环境下使用的易用性、实时性和稳定性，优化了井下中央控制器的控制流程，使整个自动控制系统具有结构紧凑、稳定可靠、抗干扰性强的特点。文章通过具体项目应用背景和技术要求分析，给出了系统组成设备研究方案，详细论述了井下控制器硬件电路设计和软件设计。设计使用Philips公司生产的LPC2368芯片（ARM7系列）作为微处理器，以SD卡作为数据存储设备（可热插拔），采用FAT32文件系统，通过CAN总线、RS485接口和以太网实现矿井排水现场数据的实时通讯，构成具有实时监测并具备自动控制功能的井下控制器。研究的创新点：以模块化设计思想在井下控制器中加入存储模块，通过存取速度高的大容量SD卡作为存储介质实现矿井工业现场的数据追溯功能。通过上层控制管理信息系统的联网，使得在全矿务局同时进行各泵房运行状况和危险报警的查询都成为可能。关键词：关键词：关键词：关键词：矿井监测排水系统ARM芯片模块化SD卡华中科技大学硕士学位论文IIAbstractAbstractAbstractAbstractComparingwiththelow-efficiencyandbadsecuritypumpingdrainageofmine,whicharecurrentlydominatingthedomesticmarket,andaccordingtothespecificrequirementsandsituation,thethesisproposedadesignofcontrolsystembasedonARMformonitoringsurveyandautomaticallypumpingdrainageofmine.Thedesignhastechnicalimprovementcomparedtothetraditionalpumpingdrainageofmine.Moreover,anetworkcontrolsystemwhichisconstitutedofwirelessEthernetremotemonitoring,monitoringincentrecontrolroomabovemine,monitoringcontrollerundermine,andautomationpumpingdrainageisproposedanddemonstrated.Thesystemalsodeploysasetofredundancyequipmentswhichfavourssecuremanufacturing,offsetsthedisadvantagesthatareinducedbytraditionalpumpingdrainageofminewhichusingrelayandhumancontrol,andthusleadstomorereliableandstableoperation.Longlifespan,convenientmaintenance,andlong-distancemonitoringcanbeachievedwiththisconfiguration.Atthesametime,inordertoachievesimple,realtime,andstableoperation,weoptimizedthecontrolprocess,resultingintoasystemthatiscompact,stableandimmune.Togetherwiththeapplicationbackgroundandspecifictechnicalrequirement,wepresenttheschematicconfigurationofthesystemanddetaileddiscussionofhardwarecircuitdesignandsoftwaredesignofthecontrollerinthethesis.AautomaticunderminecontrollerwithrealtimemonitoringisachievedwithLPC2368chip（ARM7series）fromPhilipsastheprocesser,theSDcardasthedatastoragemedium,andFAT32asthefilesystemformat.RealtimecommunicationofminedrainagefielddataisalsoachievedbyCANbusandEthernet.Theinnovationoftheworkpresentedinthisthesisare:introduceddatastoragedeviceintounderminecontrollerinthewayofmodulardesign,andachieveddatatraceabilityofminedrainagefieldbylargecapacitySDcardwhichhasahighread-writespeed.Further,itispossibletoinquiringallthealarmandthestatureofpumpsrunninginthewholebureauofminesthroughtheimplementationofnetworkinterconnectionwithinformationmanagementsystem.KeyKeyKeyKeywords:words:words:words:MinemonitorDrainageARMchipModularizasionSDcard独创性声明独创性声明独创性声明独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文11111绪论绪论绪论绪论1.11.11.11.1矿井排水系统简介矿井排水系统简介矿井排水系统简介矿井排水系统简介1.1.11.1.11.1.11.1.1矿井排水系统的应用现状矿井排水系统的应用现状矿井排水系统的应用现状矿井排水系统的应用现状对于采矿行业而言，矿井排水系统是采矿生产中四大系统之一，担负着井下积水排除的重要任务[1]。在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透，有大量的水昼夜不停地汇集于井下，这些来源不同的水称之为矿水[2]。短时间内矿水涌入过多容易造成重大安全隐患，不仅危及整个采矿作业还可能造成人员伤亡[3]。长期以来，由于技术革新不够及时，我国的煤矿生产饱受矿水的困扰。目前我国矿井排水系统中的一些重要环节如水池水位的监测、配电设备的运行等仍采用人工操作，如人工检测水池水位、淤泥厚度、管道、闸阀及配电设备状况等。绝大多数矿井所采用的是传统的继电器、接触器控制系统，使用了大量机械触点和较多的中间继电器，线路比较复杂。在长期使用过程中，继电器触点在开闭时易受电弧的损害，同时及受空气中灰尘污染容易导致接触不良，从而使系统运行的可靠性降低[4]。由于井下环境恶劣，这样的传统方法控制线路复杂，生产效率低，设备运行的自动化程度低，可靠性相对较差，工人劳动强度大，故障率也较高，排水系统应急能力不足，不适应煤炭工业发展的需要[5]。针对国内煤矿行业应用现状，我们需要结合井下实际情况研制出一种成本低运行可靠性高的自动化排水系统。1.1.21.1.21.1.21.1.2矿井排水系统的国内外发展状况矿井排水系统的国内外发展状况矿井排水系统的国内外发展状况矿井排水系统的国内外发展状况为了提高生产率，降低煤矿生产安全隐患，最新的矿井水情检测已经由传感器和计算机处理系统来共同完成，前者实时检测并记录现场水情并反馈到控制器中，后者通过软件计算处理分析当前数据，指挥相应设备作出对应的反应。结合排水设备，这种自动控制系统大大提高了监测力度，同时节省人力，为矿井生产带来了重大安全革新[6]。华中科技大学硕士学位论文2更先进的智能排水系统，将规则控制、模糊控制、神经网络、专家系统等智能型的控制方法应用到设计之中，能够实现实时控制，自动监测排水系统的运行状况，自动进行数据采集、工况记录、故障报警、事故分析、切换多台水泵软启动及断电控制，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性也高[7]。一些矿产资源丰富的国家，在将自动化技术引进矿业生产中方面，取得了突飞猛进的成就。美国提出了数字化矿井的概念，使矿石开采过程与上层控制系统连成网络，建立起矿井综合管理信息网。同时发展了生产监控方面的传感技术，减小了排水设备的监测和自动控制的误差，甚至运用了机器人技术来代替人工操作，大大降低了矿下作业的安全隐患。德国采矿工业则启用了智能化矿井项目，目标是实现实时资源管理和生产控制，建立全矿范围的信息网络，使用新型机器和自动化设备做到生产及维护的真正自动化。法国则针对矿井设备的研制，提出了采用以嵌入式微处理技术为基础的自动控制和故障诊断系统以及安防操作系统[8]。1.21.21.21.2基于基于基于基于ARMARMARMARM的控制系统简介的控制系统简介的控制系统简介的控制系统简介ARM(AdvancedRISCMachines)，既是一个公司的名字，也是一类微处理器的通称，还是一种技术的代名词代表一种高性能的处理器体系结构。ARM芯片现在被广泛应用于各种嵌入式系统中，ARM体系结构目前被公认为是业界领先的32位嵌入式RISC（ReducedInstructionSetComputing）结构。1.2.11.2.11.2.11.2.1ARMARMARMARM架构特点架构特点架构特点架构特点ARM公司成立于1990年，全称是“AdvancedRISCMachinesLtd.”，它由英国Acorn公司提供技术，美国苹果电脑和VLSITechnology（目前已被Philips公司收购）出资并由12名工程师联手组建的美英混血公司[9]。ARM公司并不自己制造生产芯片，而是出售专利（IP核）给别家公司生产。故本文选用的LPC2368只是ARM7系列中由Philips公司的子公司NXP公司生产的一款产品。ARM凭借高超的技术和相对低廉的技术授权方式运作产品生产，这种模式广受客户欢迎，芯片生产商包括了Sharp、GECPlessey、TI和CirrusL