基于工业现场总线与以太网的矿井巷道水情监控系统设计

摘要

随着煤矿开采的深入，矿井涌水愈加严重，对煤矿安全生产构成了严重威胁，做好矿井水仓积水水情的监控治理对于保障煤矿生产安全至关重要。目前，我国煤矿主水仓水情监测与排水控制的自动化解决方案已趋于成熟，但多数监控系统采用隔爆PLC控制箱作为主控单元，整套设备体积笨重庞大，成本较高，无法适应设备集成小型化的趋势；同时，对于分散巷道水仓的监测与排水控制，许多煤矿仍采用人工巡检控制水泵启停的方式，控制效率低下；现有水位仪表在矿井煤泥水等污浊水质环境下显露出可靠性缺陷；另外，部分监控方案仅能实现矿井巷道水仓水情的本地监控，未构成能对各巷道水情集中监控的整体系统。总之，应用于矿井巷道水仓水情防治监控方案尚不成熟。 本文提出一种基于主从式总线通信与以太网数据交互的矿井巷道水情监控系统方案：采用嵌入式集成冗余开发的策略，确定了基于STM32F407ZGT6的功能冗余式监控单元硬件小型化实现方案、基于标准485通信规范与TCP/IP以太网信息联通的数据通信方案；针对现有水位传感器在矿井煤泥水应用中的不足，提出并设计了一款基于CDC电容数字转换、适用于煤泥水环境的电容式水位检测仪表；对监控系统水泵启停控制及水泵工作状态监测进行了分析。 课题设计了功能冗余的矿井巷道水情主/从站监控单元的硬件系统，并 完成了主、从站监控单元的软件开发。本文主要对隔离驱动型传感信号检测、输出继电控制、板载/遥控输入冗余检测的硬件实现进行了分析研究与设计；实现了基于灵活静态存储管理驱动的TFTLCD可视化模块硬件开发，并对用于水情参数读写与汉字固件存储的两个存储单元设计进行了设计；完成了隔离型 485 接口与以太网接口的硬件实现。根据主、从站监控单元所需具备的监测控制与数据交互需求，完成了主站监控单元交互控制触发信号输入、轮询式从站水情数据访问、界面显示等功能的软件设计，实现了从站监控单元传感信号检测、控制信号的输入/输出、水情数据可视化、配置参数读写、数据应答等功能的底层驱动和监控应用程序开发。 基于工业现场总线与以太网的矿井巷道水情监控系统在实现巷道水情本地自动化监控的基础上满足监控设备集成小型化的设计目标，借助矿井485通信线路与以太环网可实现对矿井巷道水情数据的联网监控，设计的电容式水位传感器能适用于矿井污浊恶劣水质环境的水位参数检测，大大增强了监控系统的可靠性。监控系统有效提高矿井巷道积水水情的监测与排水控制效率，提升矿山生产的数字化水平，对保障矿井安全生产具有重要意义。

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