陳 敏，唐治德

（重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室，重慶，400030）

我國46%的煤礦屬于高瓦斯煤礦，采掘時極易發(fā)生瓦斯爆炸現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，我國的瓦斯爆炸事故已占煤礦事故的80%以上，所造成的傷亡人數(shù)為煤礦事故傷亡人數(shù)的90%，所以礦井通風是煤礦生產(chǎn)安全的重點。礦井通風機是煤礦保證井下安全生產(chǎn)必不可少的大型機電設備，起到排除礦井中粉塵和污濁氣體，降低瓦斯?jié)舛鹊茸饔茫溥\行情況直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)。煤礦風機系統(tǒng)均為雙風機雙電源的通風供電方式，為了避免一臺風機長期連續(xù)運行，而另一臺不運行的情況，必須對風機工作狀態(tài)進行實時監(jiān)視。煤礦自動監(jiān)控系統(tǒng)能有效降低煤礦生產(chǎn)的能源消耗，避免兩臺風機同時投入或同時卸載的情況。將并網(wǎng)運行的主備風機集中進行監(jiān)測控制，充分發(fā)揮各風機的性能，使系統(tǒng)在保證礦井通風的前提下，實現(xiàn)最大限度的節(jié)能與風機運行時間的均等，以延長壓風機的使用壽命，亦便于壓風機的維護。

本文介紹基于dsPIC30F5011單片機在風機監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控設備中的應用，設備對風機監(jiān)控系統(tǒng)及通風環(huán)境各種相關參數(shù)進行實時數(shù)據(jù)采集，并傳送數(shù)據(jù)到地面中心監(jiān)測站，中心監(jiān)測站根據(jù)分站采集的數(shù)據(jù)和風機運行規(guī)程規(guī)定實現(xiàn)風機的起停控制與風速調(diào)節(jié)。

1 風機監(jiān)控系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)圖

煤礦風機監(jiān)控系統(tǒng)主要由地面中心站、風機監(jiān)控分站、溫度傳感器、瓦斯傳感器、開停傳感器、電壓傳感器、風速傳感器、防爆開關等設備組成。

（1）風機監(jiān)控系統(tǒng)主要功能。風機監(jiān)控系統(tǒng)主要是監(jiān)測礦井風速大小，并根據(jù)礦井的瓦斯?jié)舛却笮≌{(diào)節(jié)對應風機的風速，改變礦井的風流風量，保證礦井通風正常。同時該系統(tǒng)可以對風機的運行狀態(tài)進行適時監(jiān)控，保證風機設備運行狀態(tài)良好。

（2）地面中心站。地面中心站主要由監(jiān)控主機和中心站軟件組成。地面中心站具有收集數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)、參數(shù)設置、與風機監(jiān)控分站通訊、數(shù)據(jù)存儲、報警、顯示、打印、數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線、故障查詢等功能。

（3）傳感器。風機運行是否穩(wěn)定，必須對風機軸承的溫度、風機的電壓進行監(jiān)控。開停傳感器用來反饋風機的運行狀態(tài)是否與中心站控制方式一致；風速傳感器可以監(jiān)測礦井風速的大小是否符合礦井通風標準；瓦斯傳感器可以監(jiān)測礦井瓦斯?jié)舛取?/p>

（4）防爆開關。防爆開關是整個風機系統(tǒng)的命令執(zhí)行機構(gòu)。

（5）監(jiān)控分站。由風機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，地面中心站在該系統(tǒng)中起到了連接各種子設備與中心監(jiān)控軟件的重要作用。地面中心站由工控機與系統(tǒng)監(jiān)控軟件組成。系統(tǒng)監(jiān)控軟件在工控機上長期運行，負責與風機監(jiān)控分站進行通訊，實現(xiàn)對風機系統(tǒng)中各傳感器數(shù)據(jù)進行收集、整理，并與用戶設置參數(shù)相比較，對風機風速進行調(diào)節(jié)、控制。

因此監(jiān)控分站性能的優(yōu)越性是整個系統(tǒng)的關鍵所在，對于該設備的研制必須采用性能穩(wěn)定、功能完善的單片機，而微芯公司的dsPIC30F5011單片機性能完全能滿足該設計方案。

2 監(jiān)控分站功能結(jié)構(gòu)分析

風機監(jiān)控是指分站通過各種采集手段把有害氣體傳感器、溫度傳感器、風速傳感器、開停傳感器等傳感器的數(shù)值或者運行狀態(tài)收集到主系統(tǒng)中，然后由主系統(tǒng)根據(jù)預先設計的風機理想運行狀態(tài)與實際狀態(tài)相比較，做出比較適合現(xiàn)場的相應聯(lián)動控制，以達到預期的風機運行狀態(tài)。同時該系統(tǒng)把所有的運行情況通過總線通訊傳輸?shù)降孛嬷行谋O(jiān)測軟件保存，以方便查詢。該設備包含以下幾個部分：①CPU部分；②開關電源芯片34063為主控制器提供工作電源；③1302時鐘芯片，為系統(tǒng)提供時鐘服務；④撥碼開關設置采集器地址；⑤485通訊；⑥數(shù)據(jù)采集；⑦中文液晶顯示：為方便井下安裝維護，采集器采用中文液晶顯示，顯示該系統(tǒng)的所有采集控制信息。

3 監(jiān)控分站硬件設計

（1）硬件原理框圖見圖1。

圖1 硬件原理框圖

（2）工作電源。由于井下所能提供的工作電源為24V本質(zhì)安全電源，而該采集器中所有芯片使用電源為5V電源。24V電源降壓為5V電源的壓差太大，采用線性電源設備自身耗電大，為減小設備功耗，該系統(tǒng)采用開關電源以便減少設備自身功耗，由于開關電源芯片34063的效率比線性電源功率高、外圍電路簡單、紋波系數(shù)控制簡單，因此該設備選用34063開關電源為電源芯片。

（3）CPU電路。該分站采用 MICROCHIP公司生產(chǎn)的DSPIC30F5011高性能芯片。經(jīng)過多年使用實踐經(jīng)驗證明，該芯片在工業(yè)應用環(huán)境中性能穩(wěn)定；基于C語言編程，指令少，應用方便，程序便于移植，是工程控制應用里要求開發(fā)周期短、性能穩(wěn)定的可選產(chǎn)品之一。

（4）時鐘信號。采用1302時鐘芯片，為系統(tǒng)提供時鐘服務；考慮井下各種事件不規(guī)律性，根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)以及查詢事件發(fā)生時間的需要，該系統(tǒng)增加了時鐘，保證每次與地面中心軟件通訊時跟上時間信號。時鐘定時由地面中心軟件進行定時效對。

（5）撥碼開關設置采集器地址。由于通訊需要，設備必須帶地址。最初考慮紅外設置設備地址，但煤礦井下干擾信號太嚴重，時常導致系統(tǒng)由于干擾的原因進入設置狀態(tài)，影響通訊。撥碼開關設置地址方便不容易受干擾。

（6）采用485通訊。485總線通訊方式傳輸距離遠，傳輸性能比較穩(wěn)定?？刂破鱑ART信號經(jīng)過6N137光電隔離后，經(jīng)MAX1487轉(zhuǎn)換為485通訊，與地面中心軟件實現(xiàn)通訊；

（7）數(shù)據(jù)采集。利用PIC30F5011微控器獨特的頻率采集功能，采集相鄰兩個脈沖信號的上升沿時間t，采集10個t,進行數(shù)字濾波，得到實際需要的頻率信號，對該信號數(shù)制轉(zhuǎn)換得到所需要的十進制數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換十六進制后通過RS485通訊方式傳送到地面中心監(jiān)測軟件，中心站轉(zhuǎn)換該數(shù)據(jù)為十進制顯示。

（8）使用中文液晶顯示。為方便井下安裝維護，采集器采用中文液晶顯示，顯示所有相關于該系統(tǒng)的采集控制信息。

（9）PCB抗干擾設計。在PCB制作時，由于使用的開關電源芯片，具有一定的干擾信號，所以要求電源要距離單片機大于2mm的距離，并且保證該電源輸出的紋波系數(shù)小于20mVp-p，以保證對單片機不造成干擾，從而避免單片機頻繁復位；PCB銅線的寬度要適合電流的強度；布線時線與線的間距足夠大，盡量保持相互之間無干擾；二層PCB布線盡量保證兩面線之間是垂直的，減少平行線；PCB的邊沿線距離板子邊沿要大于2mm的間距，防止電磁干擾及方便PCB焊接。

4 軟件設計

在軟件方面，使用軟件看門狗技術以及數(shù)字濾波技術。DSPIC30F5011單片機中自帶看門狗定時器，程序定期喂狗，當程序跑飛定時器溢出時，該系統(tǒng)會自動重啟本設備，保證設備不會長期處于死機狀態(tài)。在A/D數(shù)據(jù)采集時，考慮井下環(huán)境的惡劣性，數(shù)據(jù)采集采用中位值平均濾波法。連續(xù)采集12個信號值，然后去掉最大與最小值，最后累加10個數(shù)值之和除以10得到分站采集的傳感器的有效數(shù)據(jù)。該種濾波方法有效的消除由于環(huán)境因素導致的瞬間干擾脈沖，有效地杜絕了由于環(huán)境干擾引起的傳感器數(shù)值瞬間變化的問題。

5 結(jié)語

大量實驗表明，該分站在各個礦風機監(jiān)控系統(tǒng)中運行狀態(tài)穩(wěn)定，實現(xiàn)了對風機的軸溫監(jiān)視、風機電流電壓監(jiān)視、礦井風速監(jiān)測、瓦斯氣體濃度的監(jiān)測，根據(jù)瓦斯氣體濃度大小以及井下風速的大小自動調(diào)節(jié)風機風速大小；根據(jù)風機運行參數(shù)自動切換風機。該系統(tǒng)的設計使煤礦風機實現(xiàn)了無人值守、降低能耗、運行穩(wěn)定及降低設備損耗等功能，延長了設備的使用壽命。在煤礦使用期間得到廣大煤礦用戶的好評。

[1]趙忠仁.煤礦壓風機微機實時監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤炭科技，2005，(1):28-30.

[2]國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程[S].煤炭工業(yè)出版社，2009.

[3]何麗莉.PCB 抗干擾設計[a].蕪湖職業(yè)技術學院報，2006，（8）.