李 充，王健飛，趙 振

（空軍裝備部駐長春地區(qū)軍事代表室，長春 130102）

0 引言

通風系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于礦井、礦山、隧道等場所，是這些場所環(huán)境保障非常重要的一個組成部分?，F(xiàn)階段有很多通風系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，安裝及維修困難，所以采用無人值守的智能風機控制系統(tǒng)是大勢所趨。現(xiàn)有的智能風機控制系統(tǒng)控制策略及控制邏輯基本都是在工業(yè)計算機上實現(xiàn)的[1-4]，通常有現(xiàn)場監(jiān)測及控制層、中央管理層、遠程監(jiān)控層等。這種模式的優(yōu)點是計算機計算能力強，控制策略可實現(xiàn)多樣化，拓展能力強，一套系統(tǒng)可控制多臺執(zhí)行單元。缺點是成本比較高，用為計算機自身原因，系統(tǒng)可靠性一般不是很高[5]。

現(xiàn)在使用的基于嵌入式控制系統(tǒng)的風機控制系統(tǒng)，主要是基于PLM控制器進行開發(fā)的[6-7]，少部分是利用DSP及ARM等單片機[8-9]進行開發(fā)的。嵌入式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)可靠性較高，成本相對較低，缺點是開發(fā)的難度較大，且因為系統(tǒng)資源的限制，計算速度較低，控制的智能化不高，系統(tǒng)的可拓展性差。

本文根據(jù)遠程、智能、高可靠性控制的需求特點，同時需要滿足調(diào)試方便、每臺風機能夠正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的功能，結(jié)合經(jīng)濟性需求，提出了一種本地控制系統(tǒng)與遠程終端指令控制相結(jié)合的控制方法。遠程終端選用帶有網(wǎng)口的通用計算機或智能終端即可，本地控制系統(tǒng)設(shè)計為基于DSP+FPGA架構(gòu)的嵌入式風機控制系統(tǒng)，DSP選用具有浮點計算功能的芯片。利用浮點DSP的強大計算能力和FPGA的可塑性，增強該嵌入式系統(tǒng)的計算速度，增強了系統(tǒng)的可拓展性，提高了系統(tǒng)的智能化水平。

1 系統(tǒng)組成

智能風機控制系統(tǒng)由本地控制系統(tǒng)和遠程終端組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 智能風機控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)選用在原有的計算機上開一個進程執(zhí)行遠程終端功能。遠程終端只需具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能且能夠按照通訊協(xié)議收發(fā)信息即可，此類設(shè)備為通用設(shè)備，在本文中不再贅述。

本地控制系統(tǒng)主要由面板、電子電路及電氣電路3部分組成，如圖2所示。

圖2 本地控制系統(tǒng)組成

其中面板上的狀態(tài)開關(guān)用于手動控制、自動控制、遙控控制這3種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。電子電路主要由控制電路板、溫濕度傳感器等組成，控制電路板用于采集溫濕度傳感器、狀態(tài)開關(guān)、風機開關(guān)、電流互感器等信息，接收主、輔通訊口的控制命令，根據(jù)這些信息及預(yù)設(shè)的控制邏輯控制接觸器，從而達到控制風機的目的，并把采集到的環(huán)境信息及風機運行信息通過主、輔通訊口外發(fā)給遠程終端。電氣電路用于弱電信號和強電信號的轉(zhuǎn)換，主要由電源開關(guān)、過流保護器、接觸器、電流互感器等電氣元器件組成，用于執(zhí)行風機的開關(guān)、測量風機的工作電流及對風機的保護等。

2 系統(tǒng)功能及工作原理

本地控制系統(tǒng)能夠控制4臺風機工作，正常工作時2臺風機為一組，一臺用于進風，一臺用于出風，利用2組風機通風對工作場所進行降溫。本地控制系統(tǒng)具有電源缺項保護功能、過流保護功能和風機過熱保護功能等保護功能。本地控制系統(tǒng)有3種工作模式，手動控制、自動控制和遙控控制，這3種工作模式可以通過面板的控制開關(guān)進行轉(zhuǎn)換。

手動控制模式主要用于設(shè)備調(diào)試及異常狀況下的應(yīng)急使用，在此模式下每臺風機都只能由面板上的對應(yīng)風機開關(guān)控制，控制該風機的正傳、反轉(zhuǎn)、停止。

自動控制模式是根據(jù)溫度信息控制2組風機的工作和停止，設(shè)置有2檔溫度閾值。當溫度上升到第一檔溫度閾值時，啟動一組風機工作，當溫度上升到第二溫度閾值時2組風機同時啟動工作。為了設(shè)備的可靠性及壽命，當需要啟動一組風機時，風機組的選擇根據(jù)累計工作時間自動切換，能夠使兩組風機的累計工作時間基本一致，延長設(shè)備壽命。

遙控控制模式是根據(jù)接收到的控制指令對風機進行相應(yīng)的控制，主要用于遠程人工干預(yù)控制或遠程二次開發(fā)控制?？梢愿鶕?jù)新的需求，開發(fā)新的控制邏輯。

3 本地控制系統(tǒng)設(shè)計

本地控制系統(tǒng)的設(shè)計有電子學(xué)硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計?？紤]到抗腐蝕性及電磁兼容性等要求，本地控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計為一個密閉的不銹鋼箱體，可以根據(jù)實際需求進行更改，在此處不多做贅述。

3.1 硬件設(shè)計

電子學(xué)硬件設(shè)計主要有3部分，面板設(shè)計、控制電路板設(shè)計、電氣電路設(shè)計。

面板主要具有狀態(tài)選擇功能、手動控制時手動控制開關(guān)、狀態(tài)顯示功能等。面板部分有一個三狀態(tài)開關(guān)用于工作模式選擇。有4個風機開關(guān)，每個開關(guān)用于對應(yīng)風機的手動控制。一個電源指示燈，3個工作模式指示燈，4個工作狀態(tài)指示燈和4個故障指示燈，及對應(yīng)的標識等組成。

控制電路板采用DSP+FPGA架構(gòu)，結(jié)合DSP的計算處理優(yōu)勢及FPGA可編程外設(shè)接口優(yōu)勢。因為系統(tǒng)高可靠性的需求，控制電路板除CPU和FPGA以外，都采用熱備份?？刂齐娐钒甯鶕?jù)所需具有的電源缺項檢測功能、溫濕度測量功能、對外通訊功能、接收面板狀態(tài)信息功能、給面板發(fā)送控制信息功能、接收電氣電路的信息和給電氣電路發(fā)送控制命令功能等功能需求?？刂齐娐钒宓慕Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制電路板結(jié)構(gòu)

其中，缺項檢測采用3個AC/DC模塊LD12-20B12把三項四線電源轉(zhuǎn)換成三路直流信號，通過檢測這三路直流信號完成電源缺項檢測功能。因為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計算量不大，DSP和FPGA的選用沒有特殊要求，本系統(tǒng)選用應(yīng)用成熟的DSPVC33和EP1C12Q240I7，其他器件都為嵌入式電路常用器件，根據(jù)需求選取即可，在此不再贅述。

電氣電路主要用于弱電與強電的轉(zhuǎn)換，利用TTL電平控制380 V動力電，檢測380 V輸出電流，并具有過流保護功能。主要由接觸器、電流互感器、空開組成。由接觸器完成TTL電平控制380 V動力電，由電流互感器完成380 V輸出電流檢測并輸出模擬信號，當輸出電流過大，空開會自動斷開實現(xiàn)過流保護。

3.2 軟件設(shè)計

本地控制系統(tǒng)的控制邏輯實現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理計算等工作都是在DSP內(nèi)部完成，所以軟件設(shè)計主要介紹DSP軟件程序設(shè)計，F(xiàn)PGA的程序設(shè)計主要是用于實現(xiàn)外設(shè)接口，在此不做介紹。

DSP軟件根據(jù)功能可分為初始化模塊、中斷模塊、工作狀態(tài)識別模塊、傳感器模塊、警報模塊、通訊模塊、控制模塊7個功能模塊。

（1）初始化模塊用于對風機控制系統(tǒng)的變量、輸出量、寄存器進行初始化，并將初始化信息傳送至控制模塊。初始化后能使系統(tǒng)中的相關(guān)變量處于固定的已知狀態(tài)，避免因某個變量的不確定狀態(tài)引起程序運行過程中BUG。

（2）中斷模塊利用定時中斷循環(huán)執(zhí)行控制系統(tǒng)的相關(guān)邏輯，除初始化外，所有的功能模塊都在中斷內(nèi)執(zhí)行。首先進行風機的電源的缺相信息判斷，并將缺相信息傳送至控制模塊。

（3）工作狀態(tài)識別模塊用于識別工作模式，工作模式有手動控制模式，自動控制模式，遙控控制模式，并將風機控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息傳送至控制模塊。

（4）傳感器模塊用于采集風機工作的電流值、風機轉(zhuǎn)速、風機的工作環(huán)境溫度值和風機的工作溫度值，并分別傳送至控制模塊。

（5）報警模塊用于根據(jù)輸出控制信號、傳感器測量值等信息及它們之間的相互邏輯關(guān)系判斷出當前系統(tǒng)運行狀態(tài)，并輸出狀態(tài)信息給控制模塊[10-13]。

（6）通訊模塊用于把需要輸出的信息按照通訊協(xié)議編譯后輸出，把接受的指令信息按照通訊協(xié)議釋義出后發(fā)送給控制模塊。

（7）控制模塊用于實現(xiàn)初始化模塊、中斷模塊、工作狀態(tài)識別模塊、傳感器模塊、通訊模塊之間的數(shù)據(jù)交互，并根據(jù)溫度值、電流值、通訊模塊信息、狀態(tài)信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，控制信號控制至風機工作在相應(yīng)的工作模式或向報警模塊發(fā)送報警信號。

軟件的程序流程如圖4所示。根據(jù)自動化及可靠性的需求，當工作在遙控模式時，如果在一定的時間內(nèi)沒有接收到有效的控制指令時，系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)入自動控制模式。因此即使通訊鏈路故障也不會影響系統(tǒng)的正常工作，相較于在工業(yè)計算機上開發(fā)的控制系統(tǒng)極大的提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖4 中斷程序流程

4 應(yīng)用效果分析

將以上設(shè)計研究的智能風機控制系統(tǒng)應(yīng)用到某通風場合，對其應(yīng)用效果進行了詳細分析。

智能風機控制系統(tǒng)中本地控制系統(tǒng)是自研開發(fā)的嵌入式控制系統(tǒng)，由于在一些環(huán)境條件下計算機是無法正常工作的，相較于計算機系統(tǒng)，本地控制系統(tǒng)可以應(yīng)用的環(huán)境范圍更廣。同時本地控制系統(tǒng)可以采用不同等級的器件找到環(huán)境適應(yīng)性與成本的平衡點，達到效益最大化。

智能風機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)高可靠性。因為計算機系統(tǒng)的操作系統(tǒng)運行長時間后，系統(tǒng)運行速度會變慢，并且出故障幾率會增大。嵌入式系統(tǒng)的軟件規(guī)模非常小，邏輯嚴密，運行功能性能不會隨著時間改變，運行穩(wěn)定可靠。智能風機控制系統(tǒng)樣機交付客戶后，至今已運行17個月，沒有發(fā)生故障。

5 結(jié)束語

本文針對遠程、智能、高可靠性的風機控制需求，及其他功能性能需求，根據(jù)工程實際情況，提出本地控制系統(tǒng)與遠程終端指令控制相結(jié)合的控制模式。

利用該控制模式研制本地控制系統(tǒng)一套。相較于現(xiàn)有嵌入式風機控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要有以下3點區(qū)別：（1）本系統(tǒng)有3種控制模式，分別為手動控制模式、自動控制模式和遙控控制模式，調(diào)試方便、控制方式豐富；（2）本地控制系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性及成本之間得平衡關(guān)系，可以通過選取不同等級的器件得到優(yōu)化，提高產(chǎn)品性價比；（3）本地控制系統(tǒng)增加了風機的反轉(zhuǎn)功能，在一些特殊的場合，該功能非常重要，拓展了系統(tǒng)的應(yīng)用場景。

最后通過樣機無故障運行17個月，驗證了智能風機控制系統(tǒng)遠程、智能、高可靠性。在接口可拓展性和帶載能力的可拓展性及智能化方面可以繼續(xù)開展這幾方面的研究。