基于ARM9的自適應(yīng)礦井主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)我國(guó)礦山工業(yè)中主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行需要人工24小時(shí)值守監(jiān)控的情況，設(shè)計(jì)了一種基于ARM9的自適應(yīng)礦井主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，它能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控。該系統(tǒng)采用DCS結(jié)構(gòu)形式，可擴(kuò)展性和可維護(hù)性強(qiáng)。控制層通過(guò)RS 485總線將采集到的信息傳輸?shù)奖O(jiān)控屢。為實(shí)現(xiàn)可靠的變頻控制，采用了一種魯棒性和自適應(yīng)能力強(qiáng)的積分分離PID控制算法。對(duì)硬件和軟件的抗干擾性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)達(dá)到了礦山工業(yè)的抗干擾等級(jí)要求。
關(guān)鍵詞：監(jiān)控；主扇風(fēng)機(jī)；DCS；積分分離PID；ARM9

0 引言
    礦井主扇風(fēng)機(jī)是礦山的主要通風(fēng)設(shè)備，任務(wù)是排除礦井中的粉塵和污濁氣體，降低礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛?。但?guó)內(nèi)大多數(shù)煤礦產(chǎn)業(yè)中使用的主扇風(fēng)機(jī)控制技術(shù)，多年來(lái)一直沒得到改善，沒有完善的安全監(jiān)控儀表設(shè)施和裝置，而且需要24 h值守的工作人員。因此，要提高煤礦生產(chǎn)的安全性，改善主扇風(fēng)機(jī)工作人員生產(chǎn)環(huán)境惡劣和生活的極度不方便等問題，必須解決風(fēng)機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)和監(jiān)測(cè)技術(shù)。本文介紹了一種自適應(yīng)礦井主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，有效地解決了以上問題。

1 主扇風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)
    為了保證礦山作業(yè)的安全，礦井中的主扇風(fēng)機(jī)必須24 h工作，因此主扇風(fēng)機(jī)采用了雙冗余結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

    礦井中的通風(fēng)系統(tǒng)必須處于長(zhǎng)時(shí)間不問斷運(yùn)行狀態(tài)，若是一直運(yùn)行一個(gè)風(fēng)機(jī)組，會(huì)影響風(fēng)機(jī)壽命，所以每個(gè)礦井有A，B兩個(gè)通風(fēng)口，需要配置機(jī)組I、機(jī)組Ⅱ兩套機(jī)組，每套機(jī)組分別有兩個(gè)電機(jī)。兩個(gè)風(fēng)機(jī)組必須每隔一段時(shí)間進(jìn)行切換運(yùn)行，以延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)設(shè)備的壽命，同時(shí)也能防止某臺(tái)風(fēng)機(jī)組由于長(zhǎng)時(shí)間不運(yùn)行而出現(xiàn)故障的情況。
    這種雙冗余結(jié)構(gòu)也能有效地提高主扇風(fēng)機(jī)工作的可靠性。一旦當(dāng)前運(yùn)行的風(fēng)機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，另外一套風(fēng)機(jī)組需要在最短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)工作，以保證通風(fēng)系統(tǒng)的時(shí)刻運(yùn)行。

2 主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了DCS集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是一個(gè)由過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它綜合了計(jì)算機(jī)(Computer)、通信(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活。主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)涉及溫度、轉(zhuǎn)速、壓力等多點(diǎn)多類型物理量控制，因此非常適合DCS的應(yīng)用。
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層，儀表層、控制層和監(jiān)督層，如圖2所示。

    第一層為監(jiān)督層(上層)。主要作用是提供人機(jī)交互界面，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，顯示并且保存風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，提供事故追憶功能。
    第二層為控制層(中層)。主要作用是處理儀表層檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，通過(guò)特定的算法控制，驅(qū)動(dòng)可控部件，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在特定狀態(tài)。同時(shí)通過(guò)RS 485總線與監(jiān)督層通信，將現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)與事件上傳給監(jiān)督層。
    第三層為儀表層(下層)。主要作用是使用各類傳感器獲取現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，包括：溫度傳感器檢測(cè)風(fēng)機(jī)軸溫和室內(nèi)外溫度，風(fēng)壓傳感器檢測(cè)井內(nèi)風(fēng)壓，轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，電量檢測(cè)單元檢測(cè)風(fēng)機(jī)電參數(shù)后，通過(guò)傳送到控制層，同時(shí)還能進(jìn)行電源、風(fēng)機(jī)、風(fēng)門的到位檢測(cè)。[!--empirenews.page--]
2．2 硬件設(shè)計(jì)
    主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    主控制器使用的是ARM9核心板。電量檢測(cè)單元檢測(cè)風(fēng)機(jī)的電狀態(tài)包括：電壓、電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)。溫度傳感器檢測(cè)風(fēng)機(jī)的軸溫，風(fēng)壓傳感器檢測(cè)礦井中的風(fēng)壓。ARM9核心板根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)控制可控模塊，控制主備電源切換，控制風(fēng)機(jī)組的工作切換，控制變頻器調(diào)速。LCD顯示屏提供現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交換界面，數(shù)據(jù)記憶SD卡提供現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)備份，存儲(chǔ)器儲(chǔ)存用戶設(shè)置的現(xiàn)場(chǎng)額定參數(shù)，RS 485總線用于與上位機(jī)通信。同時(shí)主備電源的切換與工作風(fēng)機(jī)組切換也可以使用手動(dòng)控制。
2．3 變頻調(diào)速控制風(fēng)壓的積分分離PID模型
2．3．1 標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法
    在模擬系統(tǒng)中，PID的算法為：

    系統(tǒng)的控制框圖如圖4所示。[!--empirenews.page--]

2．3．2 積分分離PID控制算法
    在該系統(tǒng)中，如果e偏離較大，系統(tǒng)在啟動(dòng)、停止或大幅度調(diào)節(jié)時(shí)，由于積分項(xiàng)的作用，會(huì)出現(xiàn)飽和和較大的超調(diào)量。為了消除上述現(xiàn)象，可以采用積分分離算法，將PID和PD結(jié)合起來(lái)，在誤差比較大，超過(guò)某一規(guī)定值時(shí)，取消積分，只用PD控制，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；在誤差比較小時(shí)，采用PID控制，保持穩(wěn)態(tài)特性。
    積分分離的PID算法為：

2．3．3 積分分離PID控制算法參數(shù)設(shè)定
    在變頻控制系統(tǒng)中，使用合適的KP，KI，KD，KE等參數(shù)，可以達(dá)到優(yōu)質(zhì)的控制效果。該工程中確定參數(shù)的方法是在實(shí)際中使用經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定PID控制器的最優(yōu)參數(shù)。先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定參數(shù)值，然后閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)情況，根據(jù)響應(yīng)情況反復(fù)調(diào)整參數(shù)，直到得到滿意的結(jié)果為止。
2．4 控制流程
    系統(tǒng)軟件使用C語(yǔ)言編寫，使用模塊化編程，采用了中斷模式的程序結(jié)構(gòu)，有效地提高了系統(tǒng)的效率。系統(tǒng)軟件控制流程圖如圖5所示。

3 抗干擾設(shè)計(jì)
    監(jiān)控系統(tǒng)的工作環(huán)境往往是十分惡劣的，在運(yùn)行時(shí)會(huì)受到來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的干擾。嵌入式系統(tǒng)在比較復(fù)雜的情況下，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)，控制錯(cuò)誤，狀態(tài)混亂，死機(jī)等情況。而礦井主扇風(fēng)機(jī)是否正常運(yùn)行，關(guān)系著礦山生產(chǎn)的安全，因此要保證監(jiān)控系統(tǒng)的可靠安全運(yùn)行，抗干擾設(shè)計(jì)是必不可少的。
3．1 硬件抗干擾設(shè)計(jì)
    在硬件方面，使用通過(guò)EMC認(rèn)證的電源模塊給系統(tǒng)供電。在PCB制作時(shí)，要嚴(yán)格按照PCB抗干擾設(shè)計(jì)的原則，布線時(shí)盡量減少回路面積，減少回路噪聲；電源線和地線盡量粗，除減少壓降外，還可以降低耦合噪聲。信號(hào)采集模塊輸入以及開關(guān)量輸入／輸出時(shí)需要添加光電耦合隔離器，切斷兩個(gè)電路之間的電氣聯(lián)系。
3．2 軟件抗干擾設(shè)計(jì)
    在軟件方面，使用軟件看門狗技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)，以及數(shù)字濾波技術(shù)。ARM9系統(tǒng)中自帶看門狗定時(shí)器，當(dāng)看門狗定時(shí)器溢出時(shí)，在中斷子程序中使用跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤處理程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)“跑飛”程序的引導(dǎo)。在應(yīng)用程序中插入軟件陷阱程序，當(dāng)CPU正常運(yùn)行時(shí)，不會(huì)執(zhí)行軟件陷阱程序段，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾“跑飛”的時(shí)候，由于程序計(jì)數(shù)器PC值錯(cuò)誤，落入了軟件陷阱程序，軟件陷阱程序就將程序引導(dǎo)到正確的程序地址。在程序關(guān)鍵的地方加入“NOP”指令，增強(qiáng)陷阱程序的捕捉能力。在采樣溫度、風(fēng)壓等環(huán)境參數(shù)時(shí)，由于電信號(hào)和磁場(chǎng)環(huán)境的干擾，采樣值與實(shí)際值之間容易出現(xiàn)較大的偏差，該系統(tǒng)中使用防脈沖平均值濾波法。每次采樣時(shí)，采樣N(N>6)個(gè)值，去掉采樣值的最大值和最小值，再將剩下的N-2個(gè)值取平均，得到的值作為最終采樣值輸入。這樣，就可以有效地消除脈沖干擾。

4 結(jié)語(yǔ)
    安全生產(chǎn)是礦山工業(yè)永恒的主題，主扇風(fēng)機(jī)作為保證礦山安全生產(chǎn)的重要設(shè)備，必須保證連續(xù)運(yùn)行。而工作狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是保障主扇風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行的重要手段，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)礦山工業(yè)主扇風(fēng)機(jī)的使用狀況，研究設(shè)計(jì)了一種基于ARM9的礦井主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)可對(duì)軸溫、風(fēng)壓、供電電壓、供電電流等多種與主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄，通過(guò)積分分離PID算法，使變頻器對(duì)礦井風(fēng)壓進(jìn)行自適應(yīng)控制，同時(shí)通過(guò)RS485與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。該設(shè)計(jì)有效地解決了目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)風(fēng)機(jī)控制不能根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整排風(fēng)量，需要24小時(shí)人工值守，耗能大，可靠性和實(shí)時(shí)性差等問題，具有一定的實(shí)用性和推廣性。