基于嵌入式系統(tǒng)的煤礦主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋清貴

（陽(yáng)泉市南莊煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西　陽(yáng)泉　045000）

1　嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)就是指以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為理論基礎(chǔ)的一種新型計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用系統(tǒng)，其最大特征是系統(tǒng)中的軟硬件可進(jìn)行裁剪，可實(shí)現(xiàn)一定程度的自由搭配與靈活使用。該系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)的各項(xiàng)功能表現(xiàn)、整體系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性、系統(tǒng)開發(fā)與配置的成本、系統(tǒng)軟硬件的體積、運(yùn)行過(guò)程中的功耗等都有著比較嚴(yán)格的要求。該系統(tǒng)的應(yīng)用原理是通過(guò)在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)中運(yùn)用實(shí)時(shí)處理技術(shù)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中建立實(shí)時(shí)CORBA模型。這一模型能夠有效處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟件與硬件的關(guān)系，在計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的運(yùn)用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更加豐富的設(shè)計(jì)活動(dòng)與設(shè)計(jì)模塊[1]。

2　主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求

2.1　設(shè)備智能管理功能

第一，標(biāo)準(zhǔn)化硬件自動(dòng)識(shí)別功能，通過(guò)對(duì)于硬件系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備參數(shù)的統(tǒng)一識(shí)別，來(lái)幫助操作人員更好的管理系統(tǒng)。第二，底層軟件加載功能，通過(guò)將硬件系統(tǒng)的應(yīng)用軟件加載入數(shù)據(jù)庫(kù)中，在系統(tǒng)運(yùn)行工作中，將需要使用的軟件從數(shù)據(jù)庫(kù)中及時(shí)提取出來(lái)從而滿足設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)需要。第三，設(shè)備參數(shù)自動(dòng)配置功能通過(guò)完成對(duì)于設(shè)備信息以及控制系統(tǒng)的鏈接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于硬件系統(tǒng)功能的整體控制。

2.2　故障狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)功能

由于在實(shí)際情況中煤礦主通風(fēng)機(jī)內(nèi)部零件的數(shù)量比較多，同時(shí)設(shè)備運(yùn)行的工作環(huán)境比較復(fù)雜。一旦設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，維修工作的難度就比較高。因此，在煤礦主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這是對(duì)主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本功能要求。

3　主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1　底層信號(hào)采集部分

在對(duì)煤礦主通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，首先需要對(duì)相關(guān)重要參數(shù)進(jìn)行必要的收集，包括主通風(fēng)機(jī)工作溫度、電動(dòng)機(jī)內(nèi)的電壓狀況、主通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)情況以及風(fēng)道內(nèi)的氣壓氣流狀況等，這些參數(shù)是影響煤礦主通風(fēng)機(jī)工作運(yùn)行的重要因素，因此主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首先要做好底層信號(hào)采集部分的設(shè)計(jì)。底層信號(hào)采集部分主要收集存儲(chǔ)的是兩種數(shù)據(jù)，一種是關(guān)系類數(shù)據(jù)，主要是主通風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)代碼、故障代碼、系統(tǒng)配置參數(shù)等設(shè)備與系統(tǒng)的基本參數(shù)；另一種是具體的硬件設(shè)備在實(shí)際情況的運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)。底層信號(hào)采集部分對(duì)于各種設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集與處理工作是整體軟件系統(tǒng)運(yùn)行工作的重要基礎(chǔ)，是各項(xiàng)自動(dòng)化控制指令的判斷依據(jù)，因此在底層信號(hào)采集部分的建設(shè)過(guò)程中必須重視起數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與及時(shí)性。目前，煤礦主通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中，常見的是兩臺(tái)風(fēng)機(jī)是其中一臺(tái)主通風(fēng)機(jī)工作，另一臺(tái)備用的形式，而風(fēng)機(jī)上配有兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，分為一級(jí)和二級(jí)。因此，在底層信號(hào)采集部分需要設(shè)置的數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要有：電動(dòng)機(jī)上的軸承2路、定子3路需要采集溫度情況；電動(dòng)機(jī)電壓電流運(yùn)行狀況3路；通風(fēng)機(jī)軸承與機(jī)殼位置上安裝振動(dòng)傳感器；風(fēng)道安裝4路氣壓氣流監(jiān)測(cè)設(shè)備四種內(nèi)容。具體結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖1所示。此外在底層信號(hào)采集過(guò)程中，還需注意相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸處理。在嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中，主要有單片機(jī)與S3C2440數(shù)據(jù)傳輸兩種。在實(shí)際工作環(huán)境中，由于嵌入式系統(tǒng)所收集的相關(guān)數(shù)據(jù)往往集中于煤礦主通風(fēng)機(jī)設(shè)備的周圍，因此可以使用RS485總線來(lái)進(jìn)行以上兩種數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備信號(hào)傳遞過(guò)程的連接。需要注意的是，在使用RS485總線的過(guò)程中，需要在末端設(shè)置兩個(gè)電阻，從而對(duì)通信線路進(jìn)行阻抗匹配。

3.2　變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1　底層信號(hào)采集部分結(jié)構(gòu)

在目前常見的煤礦主通風(fēng)機(jī)工作中，采用設(shè)置兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，其中一臺(tái)工作，另一臺(tái)備用的情況。而在通風(fēng)機(jī)的兩級(jí)電機(jī)中，需要配備變頻器加以控制，從而保證兩臺(tái)電機(jī)在工作過(guò)程中能夠保證同時(shí)啟動(dòng)同時(shí)停止，在轉(zhuǎn)速方面也要保證相同。這里以瑞士ABB公司生產(chǎn)的變頻器為例，其主要部件構(gòu)成情況如下：一是主電路部分，主要包括整流橋、IGBT、單管IGBT和制動(dòng)電阻、大功率制動(dòng)單元外置、限流電阻和接觸器、電解電容以及均壓電阻。二是控制回路部分，主要包括MCU（單片機(jī))、DSP(或兩個(gè)MCU)。三是結(jié)構(gòu)件部分，主要包括散熱器、溫度傳感器、風(fēng)扇[2]。

4　主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在基于嵌入式系統(tǒng)的主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，主要采用“宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)”的開發(fā)模式。在位于中央控制室的總控制計(jì)算機(jī)上進(jìn)行控制程序的編程，再將這些控制命令傳輸?shù)皆O(shè)備的嵌入式系統(tǒng)上，在控制軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要有以下內(nèi)容：一是BootLoader移植，主要起到初始化硬件設(shè)備，為控制系統(tǒng)的其他程序留出必要的內(nèi)存空間。二是建立Linux操作系統(tǒng)，先將操作系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)行必要的裁剪與重新編寫，保證Linux系統(tǒng)能夠與硬件相適應(yīng)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸將Linux系統(tǒng)內(nèi)核文件存儲(chǔ)硬件上。這一步驟是整體軟件系統(tǒng)的核心，在中間件中主要起著處理各項(xiàng)信息以及命令的功能，通過(guò)消除設(shè)備硬件與操作控制平臺(tái)的軟件差異，保證設(shè)備硬件能夠與操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容，從而為操作人員的控制命令提供一個(gè)更加方便、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。三是進(jìn)行文件管理系統(tǒng)的編寫，對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行一定的加工與存儲(chǔ)處理，為文件建立正確的存儲(chǔ)位置。此外，在嵌入式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，還需做好網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。在這一系統(tǒng)中嵌入式Web服務(wù)器一般被設(shè)計(jì)為“瘦服務(wù)器”，通過(guò)HTTP以及CGI技術(shù)來(lái)向中央控制計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，中央控制機(jī)通過(guò)HTTP來(lái)向嵌入式服務(wù)器發(fā)送命令，然后服務(wù)器再將這些命令傳輸?shù)礁飨到y(tǒng)部位，而系統(tǒng)各部位接收命令后進(jìn)行處理工作，將信息再傳遞回中央控制器完成信息的交互，具體原理如圖2所示。

圖2　CGI程序與Web服務(wù)器和PC機(jī)瀏覽器交互工作原理

5　結(jié)語(yǔ)

基于嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行煤礦主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)于保證煤礦主通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行有著十分重要的積極意義。通過(guò)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)主通風(fēng)機(jī)運(yùn)用過(guò)程中的振動(dòng)情況、設(shè)備運(yùn)行溫度以及電壓電流等重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而保證煤礦主通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的安全穩(wěn)定。

[1]張言秀.煤礦地面變電所和主通風(fēng)機(jī)房框架構(gòu)建下的欠壓保護(hù)技術(shù)改造思路探索[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（5）：88-89.

[2]孟憲敬.西門子完美無(wú)諧波變頻器在錢家營(yíng)煤礦主通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用[J].水力采煤與管道運(yùn)輸，2016（1）：97-98.