摘要：本文結(jié)合目前煤礦綜合自動(dòng)化的需要，詳細(xì)介紹我公司KDG15型遠(yuǎn)程控制開關(guān)的在研發(fā)方案、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在μ C/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)的軟件流程。該遠(yuǎn)程開關(guān)充分利用六大系統(tǒng)的KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)，為井下遠(yuǎn)控系統(tǒng)的建立提供了便利，并能增加系統(tǒng)的可靠性。

　　1.前言

　　隨著煤礦綜合自動(dòng)化程度的提高，井下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅能在井下現(xiàn)場(chǎng)操作各種設(shè)備，同時(shí)能在地面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，而且能在地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)等，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

　　目前國內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程控制開關(guān)種類比較繁雜，造成系統(tǒng)接人控制總線種類大，給現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用造成困難，我單位目前研制的KDG15A型遠(yuǎn)程控制開關(guān)是KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的配套產(chǎn)品，通過現(xiàn)場(chǎng)總線RS485,用于遠(yuǎn)距離控制設(shè)備的開關(guān)，同時(shí)帶有饋電狀態(tài)檢測(cè)功能，可反映被控設(shè)備的狀態(tài)。

　　2.需求及技術(shù)分析

　　隨著井下自動(dòng)化程度的提高，井下各種設(shè)備的控制及監(jiān)控系統(tǒng)，可以挪移到地面控制中心，實(shí)現(xiàn)集中控制，減少了人工系統(tǒng)，例如井下中央水泵房排水系統(tǒng)，當(dāng)水倉達(dá)到井下警戒水位后，必須及時(shí)開啟井下水泵向地面排水，這時(shí)就要逐一開啟相應(yīng)的設(shè)備，例如首先把相應(yīng)管路的閥門開啟到位，并需監(jiān)測(cè)閥門是否開啟到位；然后開啟真空泵向主排水泵抽真空，確保真空后，再開啟主排水泵，這樣的一系列操作必須在現(xiàn)場(chǎng)安裝遠(yuǎn)程控制開關(guān)。

　　又例如井下的皮帶機(jī)控制系統(tǒng)，由于井下皮帶系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，皮帶機(jī)路線長(zhǎng)，但皮帶機(jī)系統(tǒng)根據(jù)煤礦安全規(guī)程要求必須安設(shè)溫度保護(hù)、速度保護(hù)、煙霧保護(hù)、跑偏保護(hù)、滿煤保護(hù)、沿線緊急停車、縱撕保護(hù)等8大保護(hù)系統(tǒng)，這幾大保護(hù)如何在遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)，必須在現(xiàn)場(chǎng)安裝遠(yuǎn)程控制開關(guān)。

　　因此遠(yuǎn)程控制開關(guān)的應(yīng)用在煤礦現(xiàn)場(chǎng)中非常廣泛，我單位根據(jù)目前煤礦的具體現(xiàn)狀，結(jié)合煤礦必須具備的六大系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，綜合分析后決定研發(fā)KDG15A型遠(yuǎn)程控制開關(guān)，并選擇RS485現(xiàn)場(chǎng)總線，方便接入目前常用的KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)，給用戶提供了方便可靠的遠(yuǎn)程控制開關(guān)。

　　3.KDG15A型遠(yuǎn)程控制開關(guān)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 CPU控制器的選型

　　KDG15A型遠(yuǎn)程控制開關(guān)選用PHILIPS公司的LPC2119控制器作為系統(tǒng)CPU,該控制器是基于支持實(shí)時(shí)仿真和一個(gè)跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU,同時(shí)帶有128/256 kB（字節(jié)）嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。寬度128位的存儲(chǔ)器接口和很獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)能夠使32位代碼在時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)系統(tǒng)代碼規(guī)模有非常嚴(yán)格控制的應(yīng)用，可選擇16位Thumb模式將代碼的規(guī)模降低超過30%,而系統(tǒng)性能的損失卻很小。

　　L P C 2 1 1 9控制器為非常小的6 4腳封裝、非常低的功耗、幾個(gè)32位定時(shí)器、4通道10位ADC、2路CAN、PWM通道、46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷。并且內(nèi)置了寬范圍的RS485串行通信接口。

　　具體的系統(tǒng)圖如圖1所示。

　　3.2 系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)

　　KDG15A型遠(yuǎn)程控制開關(guān)考慮到要搭接KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)，由于KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)中具有9-18直流電源電壓，只需在內(nèi)部簡(jiǎn)單增加電源濾波以及相應(yīng)5V、3.3V LM1117-3.3和1.8VLM1117-1.8型電源轉(zhuǎn)換就可以了，在此不在啰嗦。

　　3.3 抗干擾電路的設(shè)計(jì)

　　由于井下各種信號(hào)的電磁干擾比較強(qiáng)。為了防止共摸干擾和差模干擾引入到KDG15型開關(guān)內(nèi)部，對(duì)芯片以及其他相應(yīng)硬件造成損壞，因此在各種繼電器開關(guān)量和系統(tǒng)采集電路之間相應(yīng)加了光電隔離器，增加系統(tǒng)抗干擾的能力。開關(guān)量的光電隔離抗干擾電路圖如圖2所示：

　　3.4 RS485電路的設(shè)計(jì)

　　作為目前常用的通訊接口， 選用ADM487作為RS-485通信元件，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的抗干擾性在485電路中增加3個(gè)快速光耦，這樣配置不僅設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而且價(jià)格實(shí)惠。具體不在啰嗦，詳見圖3.

　　4.KDG15A型遠(yuǎn)程控制開關(guān)軟件設(shè)計(jì)

　　KDG15A型遠(yuǎn)程控制開關(guān)軟件通過采用移植μ C/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）作為該開關(guān)的操作系統(tǒng)。μ C/OS-II操作系統(tǒng)是一種公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，不僅具有編程簡(jiǎn)單、簡(jiǎn)潔，同時(shí)具有可裁減性好、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　μ C/OS-II操作系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，它不僅僅包含了任務(wù)調(diào)度，任務(wù)管理，時(shí)間管理，內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能，而且包含了信號(hào)量管理、事件管理、郵箱消息管理、消息隊(duì)列管理、內(nèi)存管理、事件標(biāo)志組管理等幾個(gè)部分，以上功能完全可以通過用戶自己根據(jù)需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)。由于μ C/OS-II具有良好的可擴(kuò)展性和源碼開放，其他的輸入輸出管理，文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)等額外的任務(wù)，用戶可以根據(jù)需要簡(jiǎn)單編程即可實(shí)現(xiàn)。

　　通過移植嵌入式μ C/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序變得相對(duì)簡(jiǎn)單，主程序Main（）函數(shù)如下：

　　通過主程式，設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)部初始化，并設(shè)置好系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍源，只需建立兩個(gè)任務(wù)即可實(shí)現(xiàn)Task1作為485通信任務(wù)，Task2作為系統(tǒng)輸入、輸出的監(jiān)測(cè)控制任務(wù)。

　　Task1任務(wù)485通信程序采用中斷方式啟動(dòng)，在系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)部設(shè)置好時(shí)間間隔，到時(shí)間即開啟Task1,具體流程圖見圖4.

　　數(shù)據(jù)處理及控制Task2程序如圖5所示：

　　數(shù)據(jù)處理及控制程序，任務(wù)啟動(dòng)后，首先判斷是否有上位機(jī)發(fā)送的控制命令，如果有控制命令，根據(jù)上位機(jī)控制命令分別對(duì)端口進(jìn)行控制，如無控制命令對(duì)所有端口進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)完成后將監(jiān)測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)到相應(yīng)位置。

　　5.結(jié)論

　　本文根據(jù)井下現(xiàn)場(chǎng)綜合自動(dòng)化的需求簡(jiǎn)單介紹了KDG15A型遠(yuǎn)程控制開關(guān)設(shè)計(jì)，該控制開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，方便搭接KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)，為井下煤礦綜合自動(dòng)化提供了很好的搭建平臺(tái)。該KDG15A型遠(yuǎn)程控制開關(guān)已在我公司投入生產(chǎn)并依法取得防爆合格證和MA煤礦安全許可證，已投入到各個(gè)礦物局使用，并取得了很好的口碑。（作者：夏云）