一種基于ARM的煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

宋牛

摘 要 為了能夠有效地解決目前大多數(shù)煤礦所使用的主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中存在的問題，文章提出了基于ARM芯片的一種煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決方案，著重對(duì)該解決方案的軟、硬件設(shè)計(jì)以及主要功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)解決方案能夠完成對(duì)煤礦主通風(fēng)機(jī)各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)性采集和監(jiān)控，能夠保證主通風(fēng)機(jī)高效而穩(wěn)定地工作，具備現(xiàn)在大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)所不具有的遠(yuǎn)程控制的能力。

關(guān)鍵詞 ARM；煤礦；主通風(fēng)及；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TD441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）05-0022-01

在對(duì)煤礦進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)作時(shí)，煤礦礦井中的主通風(fēng)機(jī)的主要任務(wù)是向礦井下注入新鮮的空氣，把有毒的有害的氣體排出等，對(duì)煤礦開采工作的安全性與能源的節(jié)約性具有重大的作用。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的完整性設(shè)計(jì)的要求，現(xiàn)以工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中通用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議Modbus，利用基于ARM Cortex-M3系列微控制器的先進(jìn)的嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方案，以確保對(duì)煤礦主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)控。在該系統(tǒng)中，為了能夠?qū)χ魍L(fēng)機(jī)的性能和狀態(tài)進(jìn)行時(shí)刻監(jiān)控，使用了技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行穩(wěn)定的傳感器與微處理器，并能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)在煤礦中的主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況以及運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)處理后，對(duì)變頻器進(jìn)行相關(guān)操作，從而控制主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，從而提高其運(yùn)行效率。在該系統(tǒng)中，以往系統(tǒng)中使用的、技術(shù)上落后的設(shè)備管理方法將被改變，使得煤礦主通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)化管理水平有所提高，并可以使用監(jiān)控站的計(jì)算機(jī)對(duì)主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而確保主通風(fēng)機(jī)能夠安全、高效地運(yùn)行，有利于對(duì)煤礦設(shè)備的維護(hù)與管理工作。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本文介紹的監(jiān)控系統(tǒng)解決方案的設(shè)計(jì)模式為使用上位機(jī)與下位機(jī)的組合，并具有兩種控制模式：遠(yuǎn)程控制模式與本地控制模式。本系統(tǒng)的主控制芯片使用ARM Cortex-M3系列微控制器，作為上位機(jī)；主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集模塊在下位機(jī)的液晶顯示屏中進(jìn)行顯示，系統(tǒng)中還配有KYFB-2型的綜合保護(hù)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)線路的有效保護(hù)和預(yù)警。利用基于ARM芯片的微處理器配置上位機(jī)，能夠?qū)χ魍L(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示以及存儲(chǔ)與輸出數(shù)據(jù)，而且提供簡(jiǎn)單且友好的操作界面給操作人員。

2 煤礦中基于ARM的主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)方案

2.1 煤礦中監(jiān)控系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中采用基于ARM的LPC1752（ARM Cortex-M3系列）芯片作為微處理器單元，不僅能夠滿足實(shí)際工程的需要對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)與預(yù)警，同時(shí)系統(tǒng)價(jià)格低廉，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該監(jiān)控系統(tǒng)使用開關(guān)控制模塊進(jìn)行控制、使用信號(hào)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、用Modbus通訊模塊完成模塊間的通信，將各種主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)傳遞給微處理器單元LPC1752，該芯片能夠通過主通風(fēng)機(jī)參數(shù)的變化，對(duì)主通風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，從而滿足礦井的通風(fēng)要求。而且，控制信號(hào)能夠經(jīng)由無線以太網(wǎng)模塊傳輸給上位機(jī)并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的目的。

要有效進(jìn)行主通風(fēng)機(jī)的監(jiān)控管理，就必須要采集主通風(fēng)機(jī)的各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)；采集主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的主要參數(shù)的原理如下。

1）監(jiān)測(cè)與采集主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度信號(hào)。該系統(tǒng)通過紅外溫度傳感器測(cè)量電動(dòng)機(jī)三相繞組的溫度以及軸承定子的溫度，并且采集溫度的變送器使用防爆溫度變送器，然后將二者所測(cè)量到的溫度電平專程標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)而送給微處理器進(jìn)行相關(guān)計(jì)算或操作。

2）監(jiān)測(cè)主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況。監(jiān)視與測(cè)量煤礦中的主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況需要用到開停傳感器。該傳感器采集到信號(hào)之后并進(jìn)行相應(yīng)模數(shù)的轉(zhuǎn)換后，送入到微處理器中進(jìn)行處理。

3）檢測(cè)主通風(fēng)機(jī)的流量。為了能夠?qū)︼L(fēng)量進(jìn)行有效測(cè)控，需要在風(fēng)道中安裝氣體測(cè)量裝置，并通過流量傳感器計(jì)算獲得實(shí)時(shí)需要的流量信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)之后，送入模擬量輸入模塊中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后輸入到微處理器中進(jìn)行相關(guān)處理操作。

4）對(duì)主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)道中的壓力進(jìn)行檢測(cè)。在主通風(fēng)機(jī)的入口處選擇相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行鉆孔，從而能夠?qū)χ魍L(fēng)機(jī)風(fēng)道中的靜壓與全壓進(jìn)行有效檢測(cè)，然后通過壓力傳感器把采集到的壓力信號(hào)送入到模擬量輸入處理模塊中，最后在微處理器單元中進(jìn)行相關(guān)處理操作。

5）監(jiān)測(cè)煤礦主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電氣性能參數(shù)。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電壓、空載時(shí)的運(yùn)行電流、接有負(fù)載時(shí)電流以及勵(lì)磁電流、電壓、功率、功率因素等是主通風(fēng)機(jī)的主要電氣性能參數(shù)，這些電氣參數(shù)的監(jiān)測(cè)利用綜合監(jiān)測(cè)裝置對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)、采集，然后送到微處理器中進(jìn)行后續(xù)操作。

2.2 主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中采用可在ARM平臺(tái)使用的技術(shù)先進(jìn)的μC/OS-II操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理任務(wù)、數(shù)據(jù)的顯示任務(wù)、鍵盤輸入的掃描任務(wù)以及各個(gè)模塊間的通信任務(wù)，并管理各個(gè)進(jìn)程。對(duì)數(shù)據(jù)的處理任務(wù)主要是將所采集到的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)顯示任務(wù)是在液晶屏上顯示當(dāng)前所測(cè)得的數(shù)據(jù)參量；鍵盤的掃描任務(wù)則是實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入進(jìn)行掃面，從而進(jìn)行參數(shù)的修改與設(shè)置，而模塊間的通信任務(wù)則是對(duì)上、下位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行互換、通信，能夠保障遠(yuǎn)程控制中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性與有效性。

3 主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

主通風(fēng)機(jī)在煤礦的設(shè)備中屬于功率容量比較大的設(shè)備，并且常處在運(yùn)行狀態(tài)，因而對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性與抗干擾能力的要求較高。使得監(jiān)控系統(tǒng)受到干擾的主要因素為電纜產(chǎn)生的電磁干擾、供電系統(tǒng)的電源干擾、信號(hào)輸入個(gè)模塊間的耦合串?dāng)_、系統(tǒng)接地電平存在差異所產(chǎn)生的環(huán)電流干擾。

鑒于上述的各個(gè)干擾因素，在本系統(tǒng)采用了相應(yīng)的隔離與抗干擾手段，例如采用屏蔽線，將信號(hào)線與電源線分開，傳感新的輸入信號(hào)采用直流信號(hào)，微處理器采用UPS穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電。同時(shí)軟件具有自復(fù)位等抗干擾能力。

4 結(jié)束語

本文的基于ARM的煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)與采集主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的各參量數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理操作，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)進(jìn)程控制。該系統(tǒng)具有安全性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、實(shí)用性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足煤礦全天連續(xù)工作的要求。

參考文獻(xiàn)

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