煤矿主排水泵房无线集中控制系统设计应用

[摘 要]本文阐述通过设计基于嵌入式和无线收发模块的水泵无线集中控制系统解决煤矿主排水泵房的启停泵问题，此启停泵方式，节省了水泵启停操作的人员数量，又解决了人员启停泵时避免与高压开关直接接触的不安全因素。

[关键词]主排水泵房 集中控制 嵌入式 无线控制

中图分陈类号：TP237 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）05-0241-01

1 矿井主排水泵房控制现状

煤矿井下中央主排水泵房安装设计一般为变电所和泵房分开布置，水泵安装在泵房，水泵控制开关安装在变电所。因排水泵和操作开关体积较大或数量较多，排水泵和控制开关相距较远，每台水泵的启停都需要值班人员和变电所人员配合完成操作。在变电所启停水泵时需要使用打点信号联系，开关操作人看不到泵的启停状态、是否上水，不能实时掌握泵的状态，当在泵房内操作管路闸阀时，不能实时和开关操作人联系，且操作人员需要手动操作高压开关时和高压带电体接触，弊端较多。

2 无线遥控水泵控制方式原理

水泵的控制开关多为煤矿井下高压真空电磁启动器，该启动器使用开关面板上的按钮来控制开关断路器的闭合、断开等等动作，经拆解，开关面板后方使用一个常开按钮控制开关断路器的闭合、使用一个常闭的按钮控制开关断路器的断开，现将此两个按钮分别并联和串联入两个继电器的常开和常闭触点，通过控制继电器动作，相应的控制了单台高压开关的动作。因泵房的水泵较多，高压开关对应较多，将泵房内每台水泵操作开关的启停使用无线遥控集中控制，操作人员可手持便携式无线启停控制器（如图1-1），将水泵的开停控制信号集中至无线信号接收板（如图1-2）。信号接收板集成和控制开关启动停止按钮连接的继电器、无线收发装置、程序处理模块等，一旦控制板的无线接受装置收到便携式无线启停控制器发出的开停泵信号，程序处理模块分析需要执行的动作，然后驱动相应的继电器动作，进而驱动相应的水泵完成启停动作。

3、便携式无线启停控制器和无线信号接收板的设计

3.1 硬件电路设计

便携式无线启停控制器设计为手持式，选用的硬件电路及元器件需满足低电压、功耗低的条件，处理器这里选用STM32系列的STM32F103VCT6单片机，该单片机电源电压为2.0-3.6V，内部集256KB FLASH、48KB RAM 、12Bit A/D、D/A转换器、PWM、CAN、USB、SDIO、80个可编程输入输出端口等，片上资源完全满足水泵开关控制及功能升级需求；无线收发模块选用NRF24L01芯片，该芯片工作电压1.9-3.6V，无线发送频率为2.4GHz-2.5GHz的ISM 频段，数据传输速率最高可达2Mbps，完全满足信号传送需求；键盘采用4*4行列式键盘，键盘行线和列线直连设置为上拉输出模式STM32的通用IO口；LCD显示屏使用集成中文字库的3.0-5.5V型LCD12864液晶显示模块，该模块作为输入指令和指令执行情况的输出显示；蓄电池选用3.7V的锂电池供电。

信号接收板的处理器和无线收发模块的选用与便携式无线启停控制器的相同，该设备使用时固定在泵房与变电所交汇处，使用时不需要移动，因此在选用电源时考虑了开关电源模块来满足其供电的连续性。为确保启动水泵序号正确，在接收板处加装LED数码管来显示操作的水泵序号，人员可根据LED显示数字是否和自己的主关意图对照。操作人员在使用便携式无线启停控制器启停水泵时，距离信号接收板的距离较远，信号接收板输出显示采用尺寸较大的7寸红光LED数码管；因操作水泵控制开关需控制启动停止按钮的闭合和断开，这里使用外加继电器的常开、常闭触点分别并、串联入水泵控制开关的启动、停止按钮。

3.2 软件设计

因该设备是对煤矿井下主排水泵房的控制，其实时性和可靠性要求较高，传统的大循环编程模式存在程序容易跑飞崩溃，可靠性低的弊端，后期功能升级可能面临全部代码重写的可能性，故该系统的软件部分均选用实时嵌入式操作系统，经比较，这里选用uCOS/II操作系统，该操作系统为开放源码、抢占式优先级、实时多任务嵌入式系统，适合于STM32单片机的嵌入式操作系统。发送端软件设计思路为在uCOS/II系统创建一个任务获取4*4键盘的按键，键码获取后判断键码，输出至LCD屏，等待接收启动或停止信号，按下启动停止信号后将键码内容通过SPI协议发送至NRF24L01，再由NRF24L01转化为无线信号，接收端程序设计思路为在uCOS/II系统中使用中断方式获取NRF24L01的IRQ引脚发来的中断信号，当NRF24L01接收数据时，IRQ引脚变低，触发STM32硬件中断，此时系统创建一个读取NRF24L01数据口程序获取发来的数据，接收到的数据输出至LED数码管并通过驱动相应的IO口使继电器动作。

4、工作过程

当人员需要启停水泵，按下便携式无线启停控制器4*4行列键盘，STM32通过键盘扫描子程序识别按下的键号，通过程序将键号转换为水泵序号显示在便携式无线启停控制器的LCD12864上，同时STM32通过通过SPI协议将键号发送至接收板，接收板接收到信号后同时显示在7寸LED数码管上，人员查看按下的两设备上输出的水泵序号是否正确，如果正确则可以按下启动或停止键进行下一步操作，处理器接收的启动停止信号通过NRF24L01发送至接收板的NRF24L01模块。接收板处理器读取接受模块启动停止信号后驱动相应的继电器动作，继电器最终驱动相应的水泵开关动作，完成集中无线控制水泵的启停操作。

参考文献

[1] Jean J.Labrosse著.邵贝贝等译 嵌入式实时操作系统uCOS-II北京航空航天大学出版社，2007.

[2] 意法半导体（中国）投资有限公司MCU技术支持 STM32F10xxx，参考手册，2010.

[3] 讯通科技.NRF24L01中文手册，2007.

[4] 杜刚.电路板设计与制作：Protel应用教程.清华大学出版社，2010.