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序論：在您撰寫監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計論文時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件；智能溫室；系統(tǒng)設(shè)計
智能溫室是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，早在20世紀(jì)70年代，國外就開始對智能溫室環(huán)境監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究，其中日本、荷蘭、以色列、美國等發(fā)達(dá)國家智能溫室監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的最快。國外智能溫室最早采用模擬式的組合儀表，采集溫室環(huán)境因子參數(shù)，并通過相關(guān)設(shè)備進(jìn)行指示、記錄和控制。隨后又出現(xiàn)了分布式監(jiān)測系統(tǒng)以及計算機(jī)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的多因子綜合監(jiān)測系統(tǒng)。溫室產(chǎn)業(yè)在我國農(nóng)業(yè)中的比重不斷增加，加快了我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的速度?！敖M態(tài)”的概念是伴隨著集散型控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）的出現(xiàn)，才被廣大自動化技術(shù)人員所熟悉的。在監(jiān)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用過程中，組態(tài)軟件因為界面直觀、便于二次開發(fā)、使用方便而一直占據(jù)著非常重要的地位，因此，基于組態(tài)軟件設(shè)計了一套溫室監(jiān)控系統(tǒng)。
1系統(tǒng)總體設(shè)計
農(nóng)作物的生長受到各種不同環(huán)境因子的影響，這些環(huán)境因子對作物生長發(fā)育的影響各不相同[1]。目前，科學(xué)家分析影響植物生長的環(huán)境因子達(dá)52種，其中空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度是影響植物生長最主要的幾種環(huán)境因子。根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測與控制需求分析，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1傳感器選型
要實現(xiàn)對溫室環(huán)境因子參數(shù)的監(jiān)測，必須選擇適合系統(tǒng)的傳感器[2]。為了便于電路設(shè)計，系統(tǒng)土壤溫濕度傳感器選擇上海搜博公司生產(chǎn)的SLHT5溫濕度傳感器。該傳感器內(nèi)置SHT10器件，主要用于土壤溫濕度測量。光照度傳感器選用ROHM公司的BH1750傳感器。該傳感器是一種用于兩線式串行接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器，內(nèi)部包含一個16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，直接輸出數(shù)字信號。因此，該傳感器使用時不需再進(jìn)行復(fù)雜計算，使用非常方便。二氧化碳傳感器選用MH-Z14NDIR紅外二氧化碳傳感器。該傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的二氧化碳進(jìn)行檢測，是一款高分辨率、高靈敏度的傳感器，無氧氣依賴性，壽命長，供電電壓為4～6V，提供UART、模擬電壓信號、PWM波形等多種輸出方式。該傳感器內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償，具有良好的線性輸出能力。幾種傳感器外形如圖2所示。
2.2主控制器設(shè)計
系統(tǒng)主控制器性能的好壞直接影響系統(tǒng)可靠性。本系統(tǒng)采用基于ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32系列單片機(jī)[3]。系統(tǒng)選用STM32F103VE作為主控芯片，主頻72MHz，內(nèi)部含有256K字節(jié)的FLASH和64K字節(jié)的SRAM，LQFP100封裝。操作系統(tǒng)選用了μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)[4]。主控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件是整個系統(tǒng)的靈魂，對于系統(tǒng)的運(yùn)行來說至關(guān)重要，各個操作都是在軟件的協(xié)調(diào)下進(jìn)行的。系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括溫室控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計、通信接口驅(qū)動程序設(shè)計、上位機(jī)管理軟件的設(shè)計等。本系統(tǒng)上位機(jī)軟件因選取組態(tài)軟件，此處不再贅述。
3.1系統(tǒng)主程序
系統(tǒng)的主程序是軟件設(shè)計的核心環(huán)節(jié)，對整個程序架構(gòu)起關(guān)鍵作用。系統(tǒng)上電后，將進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入主程序。系統(tǒng)可以進(jìn)行模式選擇，分為手動和自動兩種方式。在進(jìn)入相應(yīng)的子程序后，將逐步完成按鍵的掃描和服務(wù)、控制方式設(shè)置、環(huán)境參數(shù)采集、通信接口驅(qū)動和執(zhí)行處理控制等程序，主程序流程圖如圖4所示。
3.2CAN總線通信協(xié)議
CAN總線有其自身的特色，傳送的報文沒有目標(biāo)地址，采取全網(wǎng)廣播方式，每個節(jié)點通過反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的報文標(biāo)識符篩選報文，能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用，可在線上網(wǎng)下網(wǎng)，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的安全性，滿足控制系統(tǒng)及其他較高數(shù)據(jù)要求的系統(tǒng)需求。CAN總線通信軟件設(shè)計包括CAN總線的初始化、報文發(fā)送和報文接收3個模塊[5]。本系統(tǒng)所使用的芯片因其有專門一整套為其設(shè)計的固件驅(qū)動程序，因而大大簡化了編程過程，為開發(fā)者省去了許多時間，可以將更多的精力放在實現(xiàn)系統(tǒng)功能上。
4組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
本系統(tǒng)上位機(jī)軟件選用組態(tài)王組態(tài)軟件。組態(tài)王（Kingview）是由北京亞控自動化軟件有限公司開發(fā)的一款具有易用性、開放性和集成能力的通用組態(tài)軟件。使用組態(tài)王的基本流程為：設(shè)計圖形界面、構(gòu)造數(shù)據(jù)庫、建立動畫連接、運(yùn)行和調(diào)試。上位機(jī)是系統(tǒng)與用戶直接對話的窗口。組態(tài)王提供了豐富的系統(tǒng)界面設(shè)計資源。本系統(tǒng)分別設(shè)計了登錄界面、溫室狀態(tài)與控制界面、參數(shù)修改界面、實時與歷史曲線界面、報警與事件界面，實現(xiàn)了系統(tǒng)相關(guān)功能[6]。
5結(jié)語
系統(tǒng)完成設(shè)計后，配合硬件試驗資源，在楊凌農(nóng)業(yè)示范園進(jìn)行了實地測試，系統(tǒng)測試運(yùn)行界面如圖5所示。測試結(jié)果表明，基于組態(tài)軟件的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)預(yù)期功能，操作簡單、使用方便，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。
作者:馮春衛(wèi) 閔衛(wèi)鋒 單位:楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院
參考文獻(xiàn)
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[4]朱琳,郭永.基于STM32的工業(yè)通用控制器的研究和實現(xiàn)[J].化工自動化及儀表,2012:224-227.
系統(tǒng)由分布在育苗架中的多個傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)采集單元、設(shè)備控制單元和存放在嵌入式ARM設(shè)備中的監(jiān)控軟件4部分組成，如圖1所示。育苗架由鋼制材料構(gòu)成，共有4層。每一層上面都布有4個溫度傳感器和加熱、加濕裝置，苗架內(nèi)布有1個濕度傳感器。苗架工作時處于完全密封狀態(tài)，苗體生長所需的溫濕度環(huán)境均由外部智能控制。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)向傳感器節(jié)點發(fā)送指令，進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集，并通過處理、打包過程，將數(shù)據(jù)通過RS－485總線接口發(fā)送到嵌入式設(shè)備上的智能監(jiān)控軟件中，數(shù)據(jù)傳輸所使用的協(xié)議為Modbus［3］。智能監(jiān)控軟件收到采集單元發(fā)來的數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行解包、分析、處理等過程，然后顯示到用戶界面上，同時軟件具有記錄歷史數(shù)據(jù)的功能。用戶在監(jiān)控軟件上可以設(shè)定期望達(dá)到的溫度、濕度值，軟件會發(fā)送包含這些期望值的指令給數(shù)據(jù)采集單元。數(shù)據(jù)采集單元收到這些指令之后，會判斷當(dāng)前是否符合條件。當(dāng)條件符合后，數(shù)據(jù)處理單元會自動調(diào)用設(shè)備控制單元對育苗架進(jìn)行相應(yīng)的加熱、加濕操作［4］。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1嵌入式平臺
嵌入式平臺CPU型號為博通公司的BCM2835，采用ARM11微架構(gòu)，主頻為700MHz，同時平臺配有512MBDDRRAM和8GBNandFlash，提供高效、穩(wěn)定的運(yùn)行和存儲環(huán)境。平臺配有HDMI高清視頻接口，用來外接顯示器，可以直觀地顯示系統(tǒng)操作界面。配有RJ－45網(wǎng)絡(luò)接口和多個USB接口，用來連接網(wǎng)絡(luò)、鍵盤鼠標(biāo)和USB轉(zhuǎn)RS－285數(shù)據(jù)線。平臺搭載開源的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)穩(wěn)定性好并且具有豐富的擴(kuò)展功能，適合作為嵌入式監(jiān)控平臺［5］。
2．2傳感器節(jié)點和設(shè)備控制單元
溫度傳感器采用Pt100。Pt100溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(4～20mA)的儀表，其本質(zhì)是鉑熱電阻，阻值會隨著溫度的變化而改變，主要用于溫度參數(shù)的測量和控制，測量量程為－200℃～+200℃，精度為0．1℃。濕度傳感器采用NWSF－1AT，它是一種集傳感、變送為一體的濕度傳感器，適于室內(nèi)環(huán)境的濕度測量。其測量量程為0～100%RH，精度為±5%RH，響應(yīng)時間小于15s，是一種兩線制的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(4～20mA)傳感器。設(shè)備控制單元采用繼電器控制。加熱裝置分布在育苗架的每一層，且可以獨(dú)立工作，加熱裝置的核心是碳纖維加熱毯，它使用碳纖維作為加熱介質(zhì)。碳纖維(carbonfiber，簡稱CF)，是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性。因此，碳纖維加熱毯的功耗低、加熱速度快，適合在農(nóng)業(yè)上使用。加濕裝置分布在育苗架的每一層，核心是雙向高壓噴頭，可以均勻覆蓋待加濕區(qū)域。本單元既可以接收由數(shù)據(jù)采集單元發(fā)來的指令，打開或者關(guān)閉加熱、加濕裝置;也可以設(shè)定一個閾值，自動地打開或者關(guān)閉加熱、加濕裝置。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計由通信協(xié)議和上位機(jī)程序兩部分組成。其中，通信協(xié)議采用Modbus、上位機(jī)程序使用Qt開發(fā)。
3．1通信協(xié)議
Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一種控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。Modbus協(xié)議規(guī)定，在進(jìn)行通信時，每個控制器需要設(shè)定唯一的設(shè)備地址，交換消息時根據(jù)設(shè)備地址進(jìn)行響應(yīng)，確保一條指令對應(yīng)的設(shè)備是唯一的。Modbus協(xié)議查詢指令數(shù)據(jù)示例如表1所示。其中，數(shù)據(jù)均為16進(jìn)制，CRC錯誤校驗位高位在前、低位在后。
3．2上位機(jī)程序
本系統(tǒng)上位機(jī)程序采用Qt開發(fā)，它是一款開源的界面設(shè)計庫，使用C++類編寫。其最大特點是跨平臺，支持市面上所有主流平臺，如Windows、桌面Linux、嵌入式Linux、MacOS、Android等。用戶只需要編寫一次代碼，就可以在不同平臺上進(jìn)行編譯、運(yùn)行，可移植性較好。在正式編寫Qt代碼之前，需要在目標(biāo)平臺上搭建相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境，即本系統(tǒng)需要搭建適用于嵌入式Linux的Qt開發(fā)環(huán)境，Qt版本為4．8．5。首先將Qt源代碼解壓，在其根目錄下執(zhí)行．/configure命令，對源碼進(jìn)行配置;然后執(zhí)行make和makeinstall命令編譯源碼，并安裝編譯好的庫文件到lib文件夾下;最后將這些庫文件拷貝到嵌入式平臺根目錄下的lib文件夾中，并為其增加export變量路徑:exportQTDIR=/usr/local/Trolltech/Qt－4．8．2exportPATH=/usr/local/Trolltech/Qt－4．8．2/bin:$PATHexportMANPATH=$QTDIR/man:$MANPATHexportLD_LIBRARY_PATH=$QTDIR/lib:$LD_LIBRARY_PATH至此，Qt環(huán)境搭建完畢。嵌入式平臺用戶界面如圖2所示。上位機(jī)程序由查詢指令發(fā)送模塊、查詢指令接受模塊、控制指令發(fā)送模塊、歷史記錄生成模塊和通信控制模塊組成。對各模塊進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)，最后在主界面中采用多線程機(jī)制進(jìn)行結(jié)合，將各模塊分別放置在單獨(dú)線程中執(zhí)行，既確保了各模塊的獨(dú)立性，又提高了程序的安全性和總體的運(yùn)行效率。系統(tǒng)總體的軟件流程如圖3所示。系統(tǒng)啟動后，會首先初始化硬件(內(nèi)部寄存器、串口等)和傳感器節(jié)點［6］。采集單元通過RS－485串行通信口與嵌入式設(shè)備進(jìn)行通信。本系統(tǒng)可以選擇手動查詢模式或自動查詢模式。安裝在ARM設(shè)備上的上位機(jī)程序能夠給數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送查詢或控制指令。當(dāng)發(fā)送查詢指令之后，采集單元會根據(jù)指令中包含的設(shè)備地址信息，匹配相應(yīng)的傳感器節(jié)點，并采集數(shù)據(jù);將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、打包，然后傳回上位機(jī)程序;上位機(jī)程序接收到數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行分析、解包、處理，最終顯示到用戶界面上，同時自動存儲歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送控制指令之后，采集單元會把待設(shè)定的參數(shù)傳遞給控制單元，使其可以根據(jù)需求對加熱、加濕裝置進(jìn)行控制［7］。
4實驗及結(jié)果
為了驗證系統(tǒng)的性能，將育苗架放置在室內(nèi)環(huán)境中，分多個時間點記錄育苗架周邊環(huán)境的溫度、濕度數(shù)據(jù)。給育苗架分別設(shè)定一個溫度目標(biāo)值和濕度目標(biāo)值，每10min記錄一次育苗架內(nèi)的溫濕度情況。為保證精度，周邊環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)由小型氣象站采集。育苗架內(nèi)部的傳感器放置如下:每層分成4個區(qū)域，每個區(qū)域的中心放置1個溫度傳感器，傳感器距離每層頂部距離為20cm，用來采集溫度數(shù)據(jù);在育苗架內(nèi)同時放置1個濕度傳感器，用來采集濕度數(shù)據(jù)。育苗架內(nèi)部的加熱、加濕裝置放置如下:加熱裝置鋪在每層底部，使該層各部分可以均勻受熱，且加熱裝置下再鋪一層隔熱層，避免每層熱量相互串?dāng)_;加濕裝置安裝在每層的頂部，距離頂部5cm，采用360°雙向設(shè)計，保證可以對該層各部分進(jìn)行加濕。數(shù)據(jù)采集單元放置在苗架的外面，并且對苗架內(nèi)的連線進(jìn)行密封處理［8］。
4．1溫度控制實驗
將苗架溫度目標(biāo)值設(shè)定為25℃，濕度不設(shè)定，連續(xù)采集6h并記錄數(shù)據(jù)，作出變化曲線圖。圖4為育苗架內(nèi)溫度曲線圖，圖中虛線為苗架外環(huán)境溫度變化曲線。
4．2濕度控制實驗
將苗架濕度目標(biāo)值設(shè)定為40%Rh，溫度不設(shè)定，連續(xù)采集6h并記錄數(shù)據(jù)，做出變化曲線圖。圖5為濕度曲線圖，圖中虛線為苗架外濕度變化曲線。由兩次實驗可知，在系統(tǒng)剛開始工作的時候，不論苗架內(nèi)外的溫度還是濕度情況基本一致，各點的溫度情況處于混沌狀態(tài)，苗架內(nèi)的溫度和濕度都不等于設(shè)定值。隨著時間的推移，苗架內(nèi)各點的溫度均趨向于設(shè)定值(25℃)，濕度能維持在設(shè)定值(40%Rh)左右，且可以穩(wěn)定保持。
5結(jié)論
1.1缺乏日常維護(hù)
電網(wǎng)設(shè)備就好比日常生活中常用到的家用電器，一樣需要使用者定期地進(jìn)行維護(hù)或者保養(yǎng)。尤其是對于長距離電網(wǎng)線路這種高頻率使用的線路而言，日常的維護(hù)以及保養(yǎng)就更顯得有必要了。很多的操作人員往往忽略了這一重要步驟，使得電網(wǎng)送電的工作效率以及質(zhì)量得不到有效的保障，給工業(yè)生產(chǎn)帶來了影響，甚至是經(jīng)濟(jì)上的損失。
1.2工作環(huán)境不穩(wěn)定
電網(wǎng)設(shè)備用于工業(yè)生產(chǎn)部門中，可以切實保證工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，有效提高企業(yè)的生產(chǎn)效益。然而，值得注意的是，長距離線路輸電過程中，對于其工作環(huán)境也是有著一定要求。例如外界的溫度、濕度，所含的雜質(zhì)，甚至是噪音都成為導(dǎo)致電網(wǎng)長距離輸電電流過大的因素。部分工作人員沒能認(rèn)識到規(guī)范設(shè)備的工作環(huán)境的必要性，而導(dǎo)致電網(wǎng)長距離線路長期處于非正常工作環(huán)境，極容易造成安全事故，以及人員的傷亡等。
1.3變電站運(yùn)行故障
變電站變電運(yùn)行故障主要是包括PT保險熔斷故障、諧振故障及線路斷線故障等。這些故障都是比較常見的，我們必須找出排除故障的方法，只有這樣才能在故障發(fā)生時，找到合理的解決方法。通常情況下，在不直接和經(jīng)消弧線圈小電流接地系統(tǒng)中，如果發(fā)生上述幾種故障，中央信號將會發(fā)出“10kV系統(tǒng)接地”光字牌或者是發(fā)出報文。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因為小電流的接地系統(tǒng)母線的PT輔助線圈開口三角處連接著電壓繼電器，我們可以通過這個現(xiàn)象，來判斷故障的發(fā)生。
2長距離供電大電流監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的具體措施
2.1實時監(jiān)控主變低壓側(cè)向開關(guān)跳閘
對于主變低壓側(cè)向開關(guān)跳閘的排除方法來說，如果變電運(yùn)行中因主變低壓側(cè)向而造成過流保護(hù)動作時，就需要對電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行仔細(xì)的檢查，然后再對現(xiàn)象進(jìn)行判斷。我們在進(jìn)行檢查時，不僅僅要檢查主變保護(hù)，同時也要也要檢查線路保護(hù)。最后利用對輸入端設(shè)備的檢驗工作，對過流保護(hù)的故障進(jìn)行處理。因此為了更好地開展故障維修這一系統(tǒng)工作，應(yīng)該建立一個有效的信息處理平臺，作為計算機(jī)中心，實行對電網(wǎng)設(shè)備維修控制以及管理的有效場所。此外，還應(yīng)該完善相應(yīng)的環(huán)節(jié)，例如信息的傳遞中心、機(jī)電設(shè)備的診斷及檢查中心等，通過完善每個信息步驟進(jìn)行有效的執(zhí)行?，F(xiàn)在是一個信息化時代，電網(wǎng)設(shè)備常常和計算機(jī)技術(shù)結(jié)合使用，大大方便了工業(yè)生產(chǎn)，提高了對于長距離供電的效率。然而，在電網(wǎng)設(shè)備的具體應(yīng)用中，常會出現(xiàn)種種不良狀況以致于影響了其正常作業(yè)，給企業(yè)生產(chǎn)帶來了不同程度的損失。所以我們必須要找出合理的解決方法，來進(jìn)一步促進(jìn)電網(wǎng)的合理發(fā)展。
2.2建立主變?nèi)齻?cè)開關(guān)跳閘應(yīng)急處理方案
主變?nèi)齻?cè)開關(guān)跳閘的處理方法為:應(yīng)利用檢驗保護(hù)掉牌及輸入端設(shè)備來進(jìn)行判定。假如出現(xiàn)瓦斯保護(hù)的情況，則可判定其故障為變壓器內(nèi)部或二次回路的故障，可以通過對壓力釋放閥門及呼吸器進(jìn)行檢查、查找二次回路的接地情況、變壓器自身的形變情況，并進(jìn)行處理。我們知道，機(jī)電設(shè)備用于工業(yè)生產(chǎn)部門中，可以切實保證工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，有效提高企業(yè)的生產(chǎn)效益。如果出現(xiàn)差動保護(hù)的現(xiàn)象，應(yīng)對輸入端設(shè)備的主變壓三側(cè)差動區(qū)進(jìn)行檢查。例如外界的溫度、濕度，所含的雜質(zhì)，甚至是噪音都成為影響電網(wǎng)設(shè)備正常工作的因素。由于差動保護(hù)對主變線圈的相間及短路情況進(jìn)行反應(yīng)，所以，當(dāng)發(fā)現(xiàn)這種狀況時，應(yīng)先認(rèn)真對主變進(jìn)行檢查，包含其油色、油位、繼電器等。如果繼電器內(nèi)有氣體，則要對氣體進(jìn)行提取，由氣體的顏色及可燃性能對其故障性質(zhì)進(jìn)行判定。然而，值得注意的是，機(jī)電設(shè)備在作業(yè)過程中，對于其工作環(huán)境也是有著一定的要求。
2.3積極引入交流小型電網(wǎng)來分擔(dān)電網(wǎng)壓力
交流小型電網(wǎng)是指系統(tǒng)中含有交流母線，通過母線將小型電網(wǎng)系統(tǒng)中的能源存儲設(shè)備、DG以及電網(wǎng)負(fù)載等裝置通過電子轉(zhuǎn)換進(jìn)行傳遞，最終將信號傳遞給電網(wǎng)中樞控制系統(tǒng)，通過對公共聯(lián)結(jié)點處開關(guān)的控制，實現(xiàn)交流電網(wǎng)孤單運(yùn)行模式以及并網(wǎng)模式的來回切換。因此，交流小型電網(wǎng)可以實現(xiàn)對不同電壓的交流電與直流電的切換以及對交流負(fù)載提供電能補(bǔ)充，DG以及電網(wǎng)負(fù)載的電能流失可以通過電能補(bǔ)償器來進(jìn)行補(bǔ)償。交流小型電網(wǎng)能夠?qū)ΜF(xiàn)有的電器進(jìn)行直接負(fù)載，不需要附加電流轉(zhuǎn)換器就可以實現(xiàn)電器的正常使用。同時，由于交流小型電網(wǎng)自帶過流保護(hù)器，能夠在漏電偵測、過流保護(hù)及觸電防護(hù)等放方面很容易實現(xiàn)監(jiān)控。此外，交流小型電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)孤島運(yùn)行模式和并網(wǎng)運(yùn)行模式的自由切換，且與外部電網(wǎng)的銜接程度較好，不需要附加轉(zhuǎn)換器就可以直接并入外部的電網(wǎng)系統(tǒng)。小型交流電網(wǎng)組建與安全運(yùn)行能夠?qū)F(xiàn)有的各種分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行供電系統(tǒng)的合理改造以及優(yōu)化，實現(xiàn)各類資源的合理配給，實現(xiàn)提高電網(wǎng)的運(yùn)營能力以及負(fù)荷能力。
3結(jié)語
監(jiān)控系統(tǒng)的硬件是系統(tǒng)運(yùn)行的保障。在本設(shè)計中，底層數(shù)據(jù)采集層采用了各種溫度、濕度及電壓電流傳感器來采集數(shù)據(jù)，為了將所采集的數(shù)據(jù)及時地傳送至現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯總節(jié)點，采用了基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)技術(shù)。傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)傳輸大多采用類似于CAN的總線結(jié)構(gòu)，這種方式可靠性強(qiáng)且速度快，但是不太適用于經(jīng)常有所變化的場合。而無線傳感網(wǎng)可以很好地解決這一問題。圖2所示是每一個監(jiān)控節(jié)點的結(jié)構(gòu)，主要由傳感器單元、處理器單元、無線通信單元來組成，每個電源模塊的數(shù)據(jù)采集后，首先在這里進(jìn)行簡單的處理，然后傳至匯節(jié)點。在每一個數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場，都會設(shè)置一個數(shù)據(jù)處理中心，這個數(shù)據(jù)處理中心由嵌入式系統(tǒng)來擔(dān)任。本設(shè)計選擇了Atmel公司的AT91SAM9G45處理器，該處理器頻率可達(dá)400MHz，結(jié)合了通常需要用到的用戶界面功能與高速數(shù)據(jù)傳輸接口，包括一個7寸LCD顯示屏和一個觸摸屏、攝像頭接口、音頻、10/100M以太網(wǎng)以及高速USB以及SDIO，擁有極高的性能以及網(wǎng)絡(luò)帶寬，足以滿足系統(tǒng)的應(yīng)用。操作系統(tǒng)選用嵌入式Linux。該處理器接受來自于底層數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理并上傳至控制中心，而同時接受來自于控制中心的命令，對現(xiàn)場電源模塊的運(yùn)行進(jìn)行控制。系統(tǒng)通過CGI(commongatewayinterface)接口完成WEB客戶端與WEB服務(wù)器的連接，從而使操作人員可以從任何一個瀏覽器上實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查詢與控制命令的下達(dá)。CGI接口原理圖如圖3所示，Web服務(wù)器把接收到的有關(guān)信息放入環(huán)境變量，然后再去啟動所指定的CGI腳本以完成特定的工作，CGI腳本從環(huán)境變量中獲取相關(guān)信息來運(yùn)行，最后以HTML格式輸出相應(yīng)的執(zhí)行結(jié)果返回給瀏覽器端。由于用戶能傳遞不同的參數(shù)給CGI腳本，所以CGI技術(shù)使瀏覽器和服務(wù)器之間具有良好的交互性[2]。
2監(jiān)控系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計
監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化開發(fā)方式。整個系統(tǒng)共分為初始化、數(shù)據(jù)采集管理、控制與維護(hù)、人機(jī)界面、通信、系統(tǒng)維護(hù)等六個模塊。在這六個模塊中，數(shù)據(jù)采集管理模塊及控制維護(hù)模塊是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心模塊。數(shù)據(jù)采集模塊可以分為模擬量采集與處理模塊、數(shù)字量采集與處理模塊、報警處理模塊三個部分，分別負(fù)責(zé)系統(tǒng)模擬量和數(shù)字量的采集、匯總、處理、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等工作，同時在分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和判斷，如果系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)存在發(fā)生故障的可能性，就相應(yīng)發(fā)出報警信號。系統(tǒng)的控制和維護(hù)模塊的主要功能是接收來自于數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)及初判結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行電源運(yùn)行狀態(tài)的管理，其中包括對系統(tǒng)的自檢、故障自診斷、程序復(fù)位、系統(tǒng)安全等方面的功能。除此之處，還要完成對其他模塊的調(diào)度。
3總結(jié)
關(guān)鍵詞:低壓配電監(jiān)控系統(tǒng);電力系統(tǒng);計算機(jī);監(jiān)控
配電監(jiān)控系統(tǒng)是將智能配電設(shè)備更加數(shù)字化的信息進(jìn)行采集，從而實現(xiàn)了配電站的成本縮減。為了滿足用戶的實際需求，筆者結(jié)合某機(jī)場建設(shè)來分析常見低壓配電系統(tǒng)元件的選擇、監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場通信協(xié)議及總線的應(yīng)用。
1監(jiān)控構(gòu)成與原理
配電監(jiān)控系統(tǒng)，主要是由三個部分的工作站而組成的。這三個部分分別為打印機(jī)管理員工作站，工程師工作站以及最后的智能化開關(guān)柜。而如果想要工控機(jī)進(jìn)行正常的通訊，這就需要我們結(jié)合之前所提到的三個部分中的電力儀表，由此而進(jìn)行開關(guān)柜的通訊系統(tǒng)，以及開關(guān)系統(tǒng)。同時，我們還應(yīng)該安裝幾個分屏，比如說功率因數(shù)補(bǔ)償屏以及過橋屏模塊和另外的其他分屏。
2監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成
2．1服務(wù)器
如果進(jìn)行監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，要重新配置底層配電源元件，且需要進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和施工。傳統(tǒng)配電系統(tǒng)不具備通信電纜的條件，為了保證通信的基礎(chǔ)，加入無線通信也是配電監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，其可以透明地把配電系統(tǒng)串口信號進(jìn)行雙向無線傳輸，還能使用工頻段，不需要進(jìn)行申請。會隨著上網(wǎng)的普及，轉(zhuǎn)換器運(yùn)用也會在逐步增加，對于這些產(chǎn)品提供標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，還要提供雙向透明數(shù)據(jù)，讓大家不用知道復(fù)雜的通信原理協(xié)議下，不用麻煩的更改原有程序，就能讓工業(yè)串口設(shè)備的串口通信轉(zhuǎn)換為無線網(wǎng)絡(luò)通信，目前已經(jīng)很多國內(nèi)系統(tǒng)廠商都在實行提出了無線組網(wǎng)的方案。
2．2光纖交換機(jī)
該監(jiān)控系統(tǒng)之中的光纖交換機(jī)，是由一個網(wǎng)絡(luò)體系而組成的，這一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主用功能就是為了儲存。其中這一系統(tǒng)之中的通訊功能，都是由這一設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)之中進(jìn)行的。因此，光纖交換機(jī)這一設(shè)備不僅僅可以幫助我們儲存資料，而且還可以幫助我們進(jìn)行大部分情況之下的監(jiān)控任務(wù)。同時，可以提高了數(shù)據(jù)備份速度，更增加了對存儲系統(tǒng)的冗余連接，并且我們還可以通過使用循環(huán)嵌套來使得我們的光纖交換機(jī)減少用電量。作為程序中存放所采集到的電量參數(shù)的地址，我們需要使用到DB數(shù)據(jù)塊。如果要從技術(shù)上來講，連接設(shè)備、設(shè)備接口和通信控制協(xié)議，可以構(gòu)成一個SAN系統(tǒng)。
3監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計
監(jiān)控軟件系統(tǒng)的設(shè)計，主要作用是為了能夠幫助我們進(jìn)行遠(yuǎn)處信息的采集，這一系統(tǒng)的設(shè)計采用了獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫，它的工程師工作站用的是運(yùn)行Windows2000。專業(yè)網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件是基于組態(tài)軟件TelePower為基礎(chǔ)，而開發(fā)使用的監(jiān)控系統(tǒng)。這一監(jiān)控系統(tǒng)可以有效的降低電壓的使用度數(shù)，同時增加軟件的畫面效果。由此而使得我們所看到的，呈現(xiàn)出來的畫面是高配置的模擬畫面。該監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是為了能夠的將登錄，以及各種表格，和各種數(shù)據(jù)，乃至于操作記錄等，其中，甚至是較為困難的，難以解決的任務(wù)，都可以使用這一監(jiān)控系統(tǒng)。因此，這一監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅可以做到較為高難度的監(jiān)控要求，還可以確保一定的安全;可通過網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測、綜合判斷等，進(jìn)而提高整個配電系統(tǒng)的可靠性。
3．1PLC設(shè)計
筆者所在的某國際機(jī)場低壓配電監(jiān)控系統(tǒng)所使用的軟件，其特點主要就是能依據(jù)循環(huán)嵌套的這一種模式，從而實現(xiàn)了這一控制系統(tǒng)在使用的時候能夠盡可能的較少電壓的使用。而在另外一種形態(tài)的時候，這一軟件又可以DB數(shù)據(jù)塊作為程序中存放所采集到的電量參數(shù)的地址:(1)功能塊FC31(Measurement)主要實現(xiàn)通過移動定義的變量P，實現(xiàn)開關(guān)遠(yuǎn)程分合;(2)功能塊FC32(Commstatesum)這一功能塊的主要目的就是為了能夠更好的采取一一對應(yīng)的方式，由此而進(jìn)行數(shù)量的采集。
3．2人機(jī)操作界面
國際機(jī)場低壓配電監(jiān)控系統(tǒng)是西門子的專業(yè)軟件作為使用的平臺，然后以WINDOWM7作為這一人機(jī)操作界面的操作系統(tǒng)的一部分，同時另外使用不同的服務(wù)器作為這一操作系統(tǒng)的另一部分，由此而組成的人機(jī)操作界面。(1)用戶管理及操作權(quán)限。這是需要工程師級別的用戶才可以使用的操作權(quán)限，對于一般的操作人員，是不具有這一操作權(quán)利的。這一做法的主要目的就是為了使得人機(jī)操作界面，能夠處于一個較為安全的環(huán)境之中。而這一操作權(quán)限的控制，主要原理為低電壓的配置。(2)圖形化系統(tǒng)。圖形化系統(tǒng)不僅僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的監(jiān)視任務(wù)，更加值得稱贊的是圖形化系統(tǒng)還可以實現(xiàn)復(fù)雜化的監(jiān)控任務(wù)。這都是通過圖形化設(shè)計器這一機(jī)型，從而使得圖形化系統(tǒng)能夠在運(yùn)行的時候，做到這一成果。在圖形化系統(tǒng)在進(jìn)行運(yùn)行的時候，可以依靠圖形化設(shè)計器呈現(xiàn)出現(xiàn)場的實時監(jiān)控，這就很大程度上的保證了機(jī)場之中的安全。(3)數(shù)據(jù)的采集與處理。人機(jī)操作界面之中的數(shù)據(jù)，主要采集來源是數(shù)據(jù)庫儲存。對于數(shù)據(jù)的采集以及處理來說，正是因為配備了低電壓的系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)備的開關(guān)，因此重要的信息都會被采集進(jìn)數(shù)據(jù)庫之中。并且，這一設(shè)備同時配合以多功能的電力系統(tǒng)開關(guān)，就可以直接采集到監(jiān)控系統(tǒng)的信息。(4)報表管理。報表管理主要使用的是電能報表，這一管理可以自動的運(yùn)行關(guān)于報表的各個方面的內(nèi)容，其中包括了報表的歷史，報表的操作記錄，報表的查詢以及等等其他的各個方面的報表數(shù)值。這些報表數(shù)值不僅僅可以給我們呈現(xiàn)出關(guān)于電能費(fèi)率的相關(guān)數(shù)據(jù)的表格，還可以讓我們方便的查詢在這些數(shù)值形成過程之中的具體細(xì)節(jié)。(5)事件記錄和故障報警。事件紀(jì)錄以及故障報警，是可以詳細(xì)給我們呈現(xiàn)出事件發(fā)生時候的所存在的所有內(nèi)容。甚至于，這一內(nèi)容之中還包括了值班人員的信息等等，并且還可以自動對運(yùn)行設(shè)備發(fā)送控制指令。(6)打印。對于給需要打印的作業(yè)進(jìn)行打印，在這一機(jī)器進(jìn)行運(yùn)行的時候，需要有動態(tài)內(nèi)容的設(shè)定，并且同時還需要設(shè)置打印作業(yè)的時候所需要的相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，這樣才可以在低壓的情況之下，進(jìn)行打印。
4結(jié)語
由以上的實踐研究，我們可以清楚的知道，這一電子監(jiān)控系統(tǒng)具有很高的可實用性。這一監(jiān)控系統(tǒng)，不僅僅可以很好的做到了安全簡單這一基礎(chǔ)要求，同時也可以更好的提高了工作人員們的工作效率。使得工作人們能夠在遠(yuǎn)程就可以進(jìn)行這一監(jiān)控系統(tǒng)的操作使用，并且這一設(shè)備也很好的實現(xiàn)了數(shù)據(jù)儲存這一要求。因此，這一電子監(jiān)控設(shè)備不僅僅達(dá)到了我們所需要的設(shè)計目的，同時這一監(jiān)控設(shè)備在實際的運(yùn)用之中，發(fā)揮了更好的使用效果。
作者:唐瀾劍 單位:成都雙流國際機(jī)場股份有限公司
參考文獻(xiàn)
［1］趙文龍，趙德，許光濘，等．低壓配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］．電氣應(yīng)用，2003(06):47－49．
1.1遠(yuǎn)程監(jiān)控需求分析
1）具有遠(yuǎn)程控制休眠、喚醒地震儀功能。地震儀在放炮之前喚醒，在停止施工期間休眠，地震儀可有選擇的進(jìn)行采集工作，這樣大大節(jié)省了數(shù)據(jù)存儲空間，降低了采集系統(tǒng)的功耗，延長了儀器的待機(jī)時間。
2）可查詢?nèi)鏑F卡剩余空間，內(nèi)置電池電量，位置經(jīng)緯度，采集站狀態(tài)等信息。對剩余空間、電池電量不足，采集站狀態(tài)錯誤且不能遠(yuǎn)程修復(fù)的采集站及時安排工作人員更換。提高野外勘探作業(yè)的工作效率和靈活性，增強(qiáng)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性。對讀取回來的地震儀經(jīng)緯度信息在上位機(jī)端進(jìn)一步處理，可用于研發(fā)地震儀排列位置監(jiān)測及遠(yuǎn)程防盜系統(tǒng)，保障野外勘探儀器的安全性。
3）遠(yuǎn)程控制地震儀自檢功能，并能回收自檢數(shù)據(jù)。地震儀系統(tǒng)自檢內(nèi)容包括檢波器內(nèi)阻、噪聲、隔離度測試等，一次完整的自檢過程通常需要2-5分鐘，因此無纜存儲式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般只在開機(jī)時自檢一次，之后則無自檢過程，因此采集站的部分工作狀態(tài)，如檢波器連接狀態(tài)等僅僅反映了系統(tǒng)開機(jī)時的狀態(tài)，不能作為現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)。法國UNITE系統(tǒng)由于沒有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，在自存儲模式下通常是定時自檢，自檢時間為5分鐘，在系統(tǒng)自檢期間，地震儀停止其它一切工作，這樣就減弱了地震儀野外勘探作業(yè)工作的靈活性。
4）有一定的遠(yuǎn)程修復(fù)及設(shè)置功能。如配置系統(tǒng)采樣率、增益，系統(tǒng)復(fù)位等，出工前對地震儀的工作參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一配置，布設(shè)到野外后，根據(jù)自檢結(jié)果對有問題的地震儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)復(fù)位等操作，遠(yuǎn)程修復(fù)和解決問題，節(jié)省人力物力，提高無纜地震儀智能化控制程度。
1.2無線通信技術(shù)的選擇
目前成熟的無線通信技術(shù)較多，如Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth、GPRS、3G等，這些通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用到生活及工業(yè)生產(chǎn)中，北斗短報文是近幾年才發(fā)展起來的一種遠(yuǎn)距離通信技術(shù)，表1列出了應(yīng)用以上幾種通信技術(shù)典型模塊的最大數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸距離、通信頻帶的參數(shù)值。
1.2.1Wi-Fi
Wi-Fi是IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)稱，其傳輸速率快、安全性高，可集成到已有的寬帶網(wǎng)絡(luò)中，配合路由器組建有線、無線混合網(wǎng)絡(luò)快捷方便。地震勘探儀器中Wi-Fi常用的組網(wǎng)模式有兩種，即AP（無線訪問接入點）模式和AdHoc（點對點）模式，在野外我們可以用架設(shè)AP基站的方式來拓?fù)錈o線局域網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積[3]，而AP之間可以通過網(wǎng)橋設(shè)備連接，從而完成更大面積的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，然而在實際勘探應(yīng)用中AP基站和網(wǎng)橋設(shè)備架設(shè)困難，尤其應(yīng)用于大道距的二維或者三維勘探工作中，需要更多的基站與網(wǎng)橋，較大的影響了施工進(jìn)度。AdHoc是一種無中心、自組織、多跳移動通信網(wǎng)絡(luò)，結(jié)點間通過分層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和分布式算法相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的自動組織和數(shù)據(jù)的相互交換，這種模式下地震儀可將其采集數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)信息接力式的傳輸回控制中心，美國WirelessSeismic公司的RT2無線遙測系統(tǒng)就是應(yīng)用了這種多跳的數(shù)據(jù)傳輸方式，兩個節(jié)點間通信距離的范圍約為25~70m，然而這種工作模式會導(dǎo)致越靠近中央記錄系統(tǒng)的節(jié)點積累的數(shù)據(jù)量越大，且在線性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性受通信距離與地形環(huán)境影響較大，數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量和速率難以得到有效的保證。
1.2.2GPRS、3G移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)
移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)成為人們工作生活中不可或缺的重要組成部分。該技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣、接入時間短、建設(shè)成本低等特點[10]，在地震勘探中可被應(yīng)用于移動網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍內(nèi)的地震臺網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，它提高了遠(yuǎn)程儀器維護(hù)的工作效率[11]。然而在地震勘探大道距（道距大于1km）地震深反射、折射探測作業(yè)中，由于其基站的信號覆蓋范圍有限，對于遠(yuǎn)程監(jiān)控地震采集站工作存在一定的局限性。
1.2.3北斗短報文通信技術(shù)
北斗衛(wèi)星作為北斗通信技術(shù)的中繼，轉(zhuǎn)發(fā)來自地面用戶端的定位及通信請求，地面中心站控制端接收到請求后，解析消息后將解算出的位置信息傳回用戶端或?qū)⒔邮盏降慕邮招畔⑼ㄟ^北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至另一地面用戶端，達(dá)到衛(wèi)星定位及通信的目的。北斗短報文通信技術(shù)在應(yīng)用時具有信號覆蓋范圍廣、安全、可靠性高和控制簡單等特點，用戶一次最大可以傳送120個漢字的報文信息，而民用信息發(fā)送的頻度通常為30-60s，接收信息則沒有頻度的要求，對于地震儀基本的控制命令收發(fā)及狀態(tài)信息的傳送，北斗短報文通信技術(shù)可以滿足無纜地震儀基本狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳送的要求。
1.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
基于北斗的無纜存儲式地震儀遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工作，系統(tǒng)由主控中心、北斗衛(wèi)星、采集單元三部分組成，主控中心通過北斗指揮機(jī)完成對采集單元遠(yuǎn)程的控制及狀態(tài)數(shù)據(jù)的回收工作，并對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和存儲。采集單元完成地震數(shù)據(jù)采集的同時，通過北斗通信模塊可接收來自主控中心端的控制命令，并反饋執(zhí)行結(jié)果信息。北斗衛(wèi)星是控制命令及反饋信息傳遞的媒介。
2采集站單元設(shè)計
2.1硬件設(shè)計
地震檢波器將地面振動信號轉(zhuǎn)化為模擬電信號傳輸?shù)紽PGA數(shù)據(jù)采集單元，由FPGA完成數(shù)據(jù)的采集、緩存，并提供必要的測試、控制功能。AT91RM9200作為中央處理器，讀取FPGA中存儲的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)存到CF存儲卡中；通過SPI接口與Wi-Fi模塊連接，實現(xiàn)近距離的無線數(shù)據(jù)傳輸功能；通過UART與GPS、北斗模塊連接，為采集站提供高精度的授時、定位、遠(yuǎn)程通信功能，完成數(shù)據(jù)同步采集、位置信息獲取、工作質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控。采集站也可通過以太網(wǎng)接口與電腦終端連接，完成數(shù)據(jù)的回收及參數(shù)設(shè)置、檢查工作。采集站在野外應(yīng)用時采用太陽能和內(nèi)置鋰電池兩種供電模式，電源智能管理系統(tǒng)會根據(jù)采集站當(dāng)前工作的天氣條件轉(zhuǎn)換供電模式，保證儀器可靠、穩(wěn)定的工作[12]。
2.2軟件設(shè)計
采集單元的主控制器ARM9運(yùn)行嵌入式Linux內(nèi)核版本為2.6.31的操作系統(tǒng)，北斗通信進(jìn)程完成對北斗模塊接收信息的解析與執(zhí)行，及執(zhí)行結(jié)果的反饋。北斗短報文通信系統(tǒng)包括指揮機(jī)與用戶機(jī)，指揮機(jī)是北斗短報文通信系統(tǒng)的中央控制器，它相當(dāng)于一個服務(wù)器，負(fù)責(zé)接收來自多個用戶機(jī)的報文，并可以控制多臺用戶機(jī)來完成相應(yīng)的指令。用戶機(jī)是北斗短報文通信系統(tǒng)的子節(jié)點，相當(dāng)于一個客戶端，負(fù)責(zé)將節(jié)點工作信息上傳到指揮機(jī)，和接收來自指揮機(jī)的命令。北斗用戶機(jī)在接收到指揮機(jī)傳來的信息時，用戶機(jī)會通過UART將信息內(nèi)容上傳給下位機(jī)系統(tǒng)，下位機(jī)會根據(jù)其數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷綄⑿畔⑦M(jìn)行解析，并根據(jù)信息包含的指令內(nèi)容來執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。
3上位機(jī)服務(wù)器軟件設(shè)計及測試
主控中心由上位機(jī)、打印機(jī)、存儲器、發(fā)電設(shè)備、北斗指揮機(jī)組成。上位機(jī)與北斗指揮機(jī)完成命令的選擇與打包發(fā)送，及對采集站反饋信息的接收、顯示、存儲和打印處理。發(fā)電設(shè)備輸出220V的交流電壓，為上位機(jī)及其外設(shè)供電。此外上位機(jī)服務(wù)器軟件通過對GoogleEarthAPI接口的調(diào)用，實現(xiàn)了對野外采集站排列位置的遠(yuǎn)程監(jiān)測，為微動勘探實驗中按兩個嵌套式三角形方式排列的采集站傳回的GPS位置信息在GoogleEarth中的顯示。操作人員可根據(jù)地圖顯示軟件中采集站的排列位置了解施工進(jìn)度，獲取采集站排列班報，完成布站人員調(diào)度等工作。為了了解遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的性能及數(shù)據(jù)傳輸丟包、誤碼情況，設(shè)計如下測試實驗：將7臺內(nèi)置有北斗通信模塊的采集站接好檢波器放置在室外采集，由主控中心完成與各個采集站間的數(shù)據(jù)包收發(fā)，采用60s一次通訊頻度，數(shù)據(jù)包長度為200字節(jié)，從500個樣本數(shù)據(jù)中任選7個，分別用于七個站的通訊測試，主控中心將樣本數(shù)據(jù)依次發(fā)給各個子站，并重復(fù)500次，子站收到數(shù)據(jù)包后向主控中心返回相同的樣本數(shù)據(jù)。主控中心計算從開始發(fā)包到收包完成的時間間隔作為通信的延時，主控中心與采集站分別記錄通信時丟包數(shù)，并根據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)對比的結(jié)果記錄錯包數(shù)。
4結(jié)論
為了全面提高煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)水平,國務(wù)院《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》,強(qiáng)制推行先進(jìn)適用的技術(shù)裝備。目前,國內(nèi)的各煤礦基本安裝了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng),煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是保證安全監(jiān)管部門能及時了解煤礦井下的實時信息,發(fā)現(xiàn)各種異常情況及報警信息,督促煤礦能及時處理,以減少事故的發(fā)生。而現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)這門課程的實訓(xùn)平臺必須依賴于真實的安全監(jiān)控分站和傳感器,而一套最簡單的安全監(jiān)控系統(tǒng)至少需要5,6萬元,若單獨(dú)為每位實訓(xùn)的學(xué)生配置一套安全監(jiān)控系統(tǒng)不切實際,因此迫切需要一套虛擬實訓(xùn)平臺能真是模擬整個安全監(jiān)控系統(tǒng)的安裝及配置過程,并且具備驗證系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置正確性的功能,能讓每位學(xué)生都能獨(dú)立的完成所有參數(shù)設(shè)置。
2需求分析
按照網(wǎng)絡(luò)化教育系統(tǒng)的任務(wù)、特點,將該門課程的虛擬實訓(xùn)平臺各功能模塊設(shè)計下:(1)配置文件正確性驗證。具備系統(tǒng)安裝正確性驗證功能,如果配置文件參數(shù)設(shè)置錯誤,會根據(jù)錯誤情況提示用戶進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的修改。(2)產(chǎn)生測點信息。虛擬平臺能隨機(jī)產(chǎn)生需要定義的測點以及該測點的各種虛擬參數(shù),由于在系統(tǒng)配置完畢后需要驗證整套系統(tǒng)是否能有效的實現(xiàn)風(fēng)電瓦斯閉鎖,因此該虛擬數(shù)據(jù)還應(yīng)支持用戶自行修改。(3)測點定義。結(jié)合系統(tǒng)給出的各類測點,用戶能對測點的詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。包含模擬量傳感器的報警值、斷電值、浮點值、預(yù)警值的設(shè)置以及控制口的關(guān)聯(lián);開關(guān)量傳感器的斷線、正常狀態(tài)、非正常狀態(tài)的設(shè)置以及控制口關(guān)聯(lián);控制量的常開與常閉狀態(tài)的設(shè)置;交叉斷電等。(4)報警信息提示及查詢。對于虛擬平臺產(chǎn)生的報警、斷電等異常信息,系統(tǒng)能通過語音等方式及時提醒用戶,并具備對于歷史信息提供查詢的功能。(5)統(tǒng)計報表管理。虛擬平臺能夠?qū)δM量及開關(guān)量的數(shù)據(jù),分站的運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計形成報表,并提供打印、導(dǎo)出功能。
3總體設(shè)計
煤礦安全監(jiān)控虛擬實訓(xùn)平臺采用B/S結(jié)構(gòu),應(yīng)用Web服務(wù)器、JSP動態(tài)網(wǎng)頁設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)模擬器等技術(shù),構(gòu)建虛擬實訓(xùn)環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)模擬器包可以安裝在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)實訓(xùn)室的服務(wù)器上,也可以安裝在校園網(wǎng)的服務(wù)器上。學(xué)生只要在瀏覽器頁面中輸入服務(wù)器的IP地址,即可登錄到虛擬實訓(xùn)平臺對各項參數(shù)進(jìn)行配置和調(diào)試。整個虛擬實訓(xùn)平臺的核心是測點定義以及正確性驗證這部分功能,而用戶的測點定義必須遵循《煤礦安全規(guī)程》、《AQ1029-2007》以及其他相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求,并結(jié)合平臺提供的虛擬數(shù)據(jù)詳細(xì)設(shè)置傳感器的報警值、斷電值、復(fù)電值等參數(shù)。
4詳細(xì)設(shè)計
(1)傳感器的設(shè)置。在采煤工作面上隅角設(shè)置瓦斯傳感器1個;在工作面回風(fēng)巷距工作面10米處設(shè)置瓦斯傳感器1個;在工作面回風(fēng)巷末端10-15米的范圍內(nèi)設(shè)置瓦斯傳感器1個、風(fēng)速傳感器1個,若是自然礦井還應(yīng)增加一氧化碳傳感器1個、溫度傳感器1個;在工作面進(jìn)風(fēng)順槽工作面移變處設(shè)置饋電傳感器、開停傳感器若干,用于檢測工作面主要設(shè)備的開停和饋電狀態(tài);工作面回風(fēng)巷長度若超過1000米,則還應(yīng)在中部增設(shè)瓦斯傳感器1個;煤與瓦斯突出礦井,在工作面進(jìn)風(fēng)順槽處設(shè)置瓦斯傳感器1個;采用串聯(lián)通風(fēng)的采煤工作面,被串工作面的進(jìn)風(fēng)巷10-15米處設(shè)置瓦斯傳感器1個;有專用排瓦斯巷道的工作面,必須在專用排瓦斯靠近回風(fēng)巷10-15米處設(shè)置瓦斯傳感器。以上為虛擬實訓(xùn)平臺自帶的已定義好的虛擬測點,考慮到系統(tǒng)擴(kuò)展性,支持自定義各類模擬量和開關(guān)量傳感器的定義。修改數(shù)據(jù)庫中的表t_point即可實現(xiàn)。其中tpointNo為定義測點編號,fzID為定義分站號,lxID為定義傳感器測點類型,dwID為定義傳感器量產(chǎn)單位,Val為虛擬數(shù)據(jù)初始值,Wave為虛擬數(shù)據(jù)波動比例。(2)測點定義正確性驗證。當(dāng)用戶對已有的測點定義完畢,需要虛擬實訓(xùn)平臺對其正確性進(jìn)行驗證,而驗證其正確性的依據(jù)是《AQ1029-2007》。如:工作面及上隅角瓦斯傳感器報警值應(yīng)≥1%,斷電值應(yīng)≥1.5%,復(fù)電值應(yīng)<1%;回風(fēng)巷的瓦斯傳感器報警值應(yīng)≥1%,斷電值應(yīng)≥1%,復(fù)電值應(yīng)<1%等。
5結(jié)語
