基于ARM的煤矿井下水泵电机网络监控系统的研究

摘要

目前国内井下水泵电机多数采用传统的人工进行控制，即人工加继电器进行控制的方法。这种方法控制线路复杂，设备运行的自动化程度低，可靠性差，工人劳动强度大，应急能力差等缺点。针对当前国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展所遇到的实际问题，研制了基于ARM的煤矿井下水泵电机网络监控系统，不仅可以完成水位检测、轴温检测、流量检测、水泵起动、停止及其过程控制，而且还可以进行数据传输、处理等工作。它具有以下特点：水位实时在线检测与显示；水泵启动与停止控制；多台水泵实时“轮班工作制”；根据涌水量大小和用电“避峰就谷”原则，控制投入运行的水泵台数；与监控中心联网，实行集中控制。 本文所设计的监控系统由监控中心、监控终端和远程访问三部分组成，分别介绍了监控系统的硬件设计、电机保护算法设计、系统通讯网络的设计和监控系统软件的设计。 监控系统的硬件设计主要针对监控终端的硬件设计，它采用S3C440X作为监控终端的处理芯片。根据监测的主要参数如水泵电机电流、电压、水泵开停状态、电机温度、井底水仓水位、水泵出口流量的实际特点，通过ARM芯片的快速处理运算能力，实时计算出水泵的三相有功功率和无功功率、功率因数等参量，井底水仓的水位和水泵出水口的流量、水泵的三相电压和电流准确值。把处理运算的结果通过以太网传到监控中心进行存储、显示和打印，同时监控中心根据传上来的结果进行判断，然后根据判断的情况确定是否需要给监控终端发送控制命令。 电机保护算法设计方面，主要针对系统数据采集的特点，对相电流、相电压进行交流信号采样。对采样后的数据运用快速傅立叶变换（FFT）进行数值计算，获得了高精度的测量。 系统通讯网络的设计主要针对系统两层通讯网络的协议进行分析与设计。监控中心软件采用基于Basic的可视化的程序设计语言Visual Basic6．0进行开发。客户端利用计算机网络技术，使用B/S模式远程实现对系统运行数据的传输，以便可以查询实时数据和历史数据，实现资源共享。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 选题背景情况及研究目的

1.2 国内外研究动态及现状分析

1.3 课题研究的意义

1.4 论文结构

2 监控系统整体设计

2.1 监控系统总体概述

2.2 监控系统的设计目标

2.3 监控系统数据传输方案

2.4 ARM的介绍

2.4.1 ARM7 的概述

2.4.2.ARM7 TDMI指令的寻址方式

2.4.3 ARM7 TDMI内核的寄存器结构

2.4.4 ARM7 TDMI内核的异常处理

2.4.5 ARM7 处理器的选择

2.5 系统的抗干扰技术

3 电动机保护原理及算法

3.1 电动机保护原理

3.2 水泵电机算法

3.2.1 采样方式的选择

3.2.2 交流采样原理

3.2.3 水泵电机FFT算法

4 监控系统的硬件设计

4.1 系统的总体设计框架

4.2 监控终端硬件电路设计

4.2.1 监控终端总的硬件电路介绍

4.2.2 电源电路

4.2.3 时钟电路

4.2.4 信号调理电路

4.2.5 同步采样电路

4.2.6 看门狗(Watchdog)电路设计

4.2.7 LCD接口电路

4.2.8 RS-485 通讯接口电路

4.2.9 数字量输入输出电路设计

4.2.10 传感器的选择

4.3 串口服务器硬件电路设计

5 系统通讯网络的设计

5.1 RS-485 总线通讯协议

5.2 TCP／IP协议栈分析与设计

5.2.1 TCP／IP协议的分层

5.2.2 IP协议的服务

5.2.3 TCP协议

5.2.4 协议栈中总体数据流

6 监控系统软件的设计

6.1 监控系统软件的概述

6.2 监控中心的软件设计

6.2.1 监控中心软件开发环境

6.2.2 监控中心软件的组成

6.2.3 数据库的建立

6.2.4 监控中心软件运行情况及数据库功能

6.3 监控终端的软件设计

6.3.1 μClinux操作系统的介绍

6.3.2 构建交叉编译环境

6.3.3 μClinux操作系统在S3 C44 BOX上的移植

6.3.4 监控终端主程序的设计

6.3.5 A／D采样程序的设计

6.4 S3 C44 BOX串口服务器软件设计

6.4.1 串口服务器的介绍

6.4.2 串口服务器软件开发环境

6.4.3 串口服务器程序设计

6.5 远程访问软件设计

6.5.1 远程监控系统的概述

6.5.2 远程监控系统的基本任务及要求

6.5.3 系统组成

6.5.4 数据库的连接

7 实验过程及目的

7.1 监控泵站的调试

7.1.1 软件调试过程

7.1.2 Linux系统移植实验

7.1.3 频率模拟量输入调试

7.1.4 开关和电流模拟量输入调试

7.1.5 通讯实验

7.2 系统监控软件的调试

7.2.1 监控中心软件的调试

7.2.2 WEB浏览器的调试

7.3 实验总结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果