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機監(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機監(jiān)控系統(tǒng)的設計解決方案，著重對該解決方案的軟、硬件設計以及主要功能的實現(xiàn)進行詳細介紹。該系統(tǒng)解決方案能夠完成對煤礦主通風機各個參數(shù)的實時性采集和監(jiān)控，能夠保證主通風機高效而穩(wěn)定地工作，具備現(xiàn)在大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)所不具有的遠程控制的能力。

關鍵詞 ARM；煤礦；主通風及；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TD441 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0022-01

在對煤礦進行生產(chǎn)運作時，煤礦礦井中的主通風機的主要任務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。為了實現(xiàn)對煤礦主通風機監(jiān)控系統(tǒng)的完整性設計的要求，現(xiàn)以工業(yè)自動化領域中通用的標準協(xié)議Modbus，利用基于ARM Cortex-M3系列微控制器的先進的嵌入式技術設計煤礦主通風機監(jiān)控系統(tǒng)方案，以確保對煤礦主通風機的運行狀況進行實時有效監(jiān)控。在該系統(tǒng)中，為了能夠對主通風機的性能和狀態(tài)進行時刻監(jiān)控，使用了技術先進、運行穩(wěn)定的傳感器與微處理器，并能夠及時監(jiān)測在煤礦中的主通風機的運行狀況以及運行參數(shù)，經(jīng)處理后，對變頻器進行相關操作，從而控制主通風機的風量，從而提高其運行效率。在該系統(tǒng)中，以往系統(tǒng)中使用的、技術上落后的設備管理方法將被改變，使得煤礦主通風機的自動化管理水平有所提高，并可以使用監(jiān)控站的計算機對主通風機的運行狀況進行遠程監(jiān)控，從而確保主通風機能夠安全、高效地運行，有利于對煤礦設備的維護與管理工作。

1 系統(tǒng)的總體方案設計

本文介紹的監(jiān)控系統(tǒng)解決方案的設計模式為使用上位機與下位機的組合，并具有兩種控制模式：遠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；主通風機的運行參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集模塊在下位機的液晶顯示屏中進行顯示，系統(tǒng)中還配有KYFB-2型的綜合保護系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)對線路的有效保護和預警。利用基于ARM芯片的微處理器配置上位機，能夠對主通風機的運行數(shù)據(jù)進行采集、顯示以及存儲與輸出數(shù)據(jù)，而且提供簡單且友好的操作界面給操作人員。

2 煤礦中基于ARM的主通風機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計與軟件設計方案

2.1 煤礦中監(jiān)控系統(tǒng)的硬件方案設計

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，不僅能夠滿足實際工程的需要對系統(tǒng)的運行狀況進行有效的監(jiān)測與預警，同時系統(tǒng)價格低廉，運行穩(wěn)定可靠。該監(jiān)控系統(tǒng)使用開關控制模塊進行控制、使用信號采集模塊進行數(shù)據(jù)采集、用Modbus通訊模塊完成模塊間的通信，將各種主通風機的運行參數(shù)傳遞給微處理器單元LPC1752，該芯片能夠通過主通風機參數(shù)的變化，對主通風機頻率進行調(diào)節(jié)，對主通風機的運行狀態(tài)進行控制，從而滿足礦井的通風要求。而且，控制信號能夠經(jīng)由無線以太網(wǎng)模塊傳輸給上位機并進行相關數(shù)據(jù)的處理，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)測與控制的目的。

要有效進行主通風機的監(jiān)控管理，就必須要采集主通風機的各個運行狀態(tài)參數(shù)；采集主通風機運行的主要參數(shù)的原理如下。

1）監(jiān)測與采集主通風機運行時的溫度信號。該系統(tǒng)通過紅外溫度傳感器測量電動機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，然后將二者所測量到的溫度電平專程標準的電流信號輸入模數(shù)轉換器中進行轉換，進而送給微處理器進行相關計算或操作。

2）監(jiān)測主通風機的運行狀況。監(jiān)視與測量煤礦中的主通風機的運行狀況需要用到開停傳感器。該傳感器采集到信號之后并進行相應模數(shù)的轉換后，送入到微處理器中進行處理。

3）檢測主通風機的流量。為了能夠對風量進行有效測控，需要在風道中安裝氣體測量裝置，并通過流量傳感器計算獲得實時需要的流量信號，轉換成電流信號之后，送入模擬量輸入模塊中進行轉換，最后輸入到微處理器中進行相關處理操作。

4）對主通風機的風道中的壓力進行檢測。在主通風機的入口處選擇相應的測量點進行鉆孔，從而能夠對主通風機風道中的靜壓與全壓進行有效檢測，然后通過壓力傳感器把采集到的壓力信號送入到模擬量輸入處理模塊中，最后在微處理器單元中進行相關處理操作。

5）監(jiān)測煤礦主通風機運行時的電氣性能參數(shù)。電動機的運行電壓、空載時的運行電流、接有負載時電流以及勵磁電流、電壓、功率、功率因素等是主通風機的主要電氣性能參數(shù)，這些電氣參數(shù)的監(jiān)測利用綜合監(jiān)測裝置對其進行監(jiān)測、采集，然后送到微處理器中進行后續(xù)操作。

2.2 主通風機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

在本系統(tǒng)的軟件設計中采用可在ARM平臺使用的技術先進的μC/OS-II操作系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理任務、數(shù)據(jù)的顯示任務、鍵盤輸入的掃描任務以及各個模塊間的通信任務，并管理各個進程。對數(shù)據(jù)的處理任務主要是將所采集到的運行狀態(tài)信號進行模數(shù)轉換；數(shù)據(jù)顯示任務是在液晶屏上顯示當前所測得的數(shù)據(jù)參量；鍵盤的掃描任務則是實現(xiàn)鍵盤輸入進行掃面，從而進行參數(shù)的修改與設置，而模塊間的通信任務則是對上、下位機的數(shù)據(jù)進行互換、通信，能夠保障遠程控制中的數(shù)據(jù)實時性與有效性。

3 主通風機監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾設計

主通風機在煤礦的設備中屬于功率容量比較大的設備，并且常處在運行狀態(tài)，因而對系統(tǒng)的運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、信號輸入個模塊間的耦合串擾、系統(tǒng)接地電平存在差異所產(chǎn)生的環(huán)電流干擾。

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

4 結束語

本文的基于ARM的煤礦主通風機監(jiān)控系統(tǒng)能夠實時地監(jiān)測與采集主通風機運行的各參量數(shù)據(jù)并對其進行相應處理操作，同時也能夠實現(xiàn)遠進程控制。該系統(tǒng)具有安全性高、穩(wěn)定性強、實用性好的優(yōu)點，能夠滿足煤礦全天連續(xù)工作的要求。

參考文獻

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