| [摘 要]：风机主扇是煤矿通风设备的主要部分，对其控制有两方面需求：一方面是可靠性；另一方面是实时性。本文通过对国内外风机主扇控制方法的分析、研究，确定了一种针对双冗余风机设备的控制方案。该方案实时监测风机轴温，工作电压，巷道风压等参数，实现了风机工作状态的全面监控。文章以嵌入式单片机为核心设计了这一系统，并给出了系统结构框图和软件程序。 关键词：风机监控煤矿安全可靠性 0 引 言 煤炭是我国重要的基础能源和原料，在国民经济中具有重要的战略地位。在我国一次能源结构中，煤炭将长期是主要能源。近年来，我国煤炭工业取得了长足发展，煤炭产量持续增长。但是，每年煤矿事故总是接连不断，一些统计数据表明，瓦斯灾害事故是煤矿企业中经济损失zui大、死亡比例zui高的重大事故之一。而预防瓦斯爆炸zui主要的措施就是加强矿井通风，降低瓦斯浓度，因此通风机在煤矿生产中就显得尤其重要。在实际生产中，如果风机出故障，必须立刻启动备用设备，这样要求工作人员24小时值守，时刻监视通风机的工作状态。为了减少人员投入、减轻工作强度、提高通风系统工作的可靠性，本文开发出一套风机监控系统。 1 风机的双冗余结构 矿用风机采用冗余结构，一主一备两套设备（如图1所示），在一套出现故障时另一套系统可以马上投人运行。主风机拥有两台电机（M1、M2），备风机也拥有两台电机（M3、M4），两台电机同时工作，增加通风效果。风机采用双回路供电，通过一个电源切换装置，进行主备电源的切换。风机和电源的双冗余结构，大大提高了风机装置的可靠性。 2 系统的实现 2．1 系统结构 系统以MCU为核心，实时监测电源电压、风压、电机轴温3种模拟量。综合考虑了成本和性能，选用Cygnal公司的C8051F单片机做系统的MCU；电压、电流的检测选用了电量检测专用芯片ADE7758；选用温度感应器DS181320完成4台电机的轴温和环境温度检测；选用煤矿专用的风压传感器KG9501B测量巷道内的风压。所有传感器检测到的参数传输到单片机中计算分析，并且在LCD上显示。控制系统通过RS485总线与变频器连接，控制电机调速。系统对风机工作状况全程记录，所有数据存储在数据存储器内，通过RS485总线传给上位机。 2．2 温度检测 系统需要监测电机主轴的温度，取每个主轴的前端和后端作为温度监测点。同时监测室内和室外温度。考虑到监测点多，需要大量导线，为了克服这一缺点便于安装和提高检测精度使用了DS18820单总线的温度传感器。 在多点测温时，多个DS18820同时挂接在单一总线上，系统之所以能够识别出每个DS18820，主要是根据每个传感器中存有的全球*的地址码。在测温前一个很重要的工作就是对传感器进行编码，把DS18820的地址码和其安装位置一一对应。把传感器编码写在DS18820内部的2BYTE的E2RAM中。 在读取温度参数时，即可以通过“Search Rom”指令，自动寻出总线上传感器的个数和其*的位地址码，但此时单片机并不知道传感器对应的位置，所以当单片机寻到地址码后马上向总线上发送此地址码，用于选中该传感器与单片机进行通讯。此时，单片机发送“Read Rom”指令，将该传感器的E2RAM中所存放的传感器位置参数读出，因为E2RAM，事先已进行了传感器编码，存放着各个传感器所对应的测点位置。通过以上的步骤，即可自动寻出总线上全部传感器地址码以及事先写入的传感器的位置编码和温度值。 2．3 电压、电流检测 控制系统需要实时监测电网电信号的质量，并掌握风机所消耗的电能。ADI公司生产的三相电量检测专用芯片ADE7758满足了这一需求。ADE7758的每个电流、电压输入信号首先经过一个可编程增益放大器，然后进入24位∑－ΔADC。信号经过滤波、积分、相位补偿调理后进入ADE7758的DSP内核，它能自行计算出有功功率、无功功率、电压有效值和电流有效值等参数。使用时要对ADE7758芯片进行校准，把校准参数写入相应的校准寄存器来减小外部元器件引起的误差。电量检测原理： （1）电网上的电流、电压为正弦交流信号，其瞬时值表达式：  （2）一旦电流和电压存在相位则会产生无功功率，假设相位差为θ则电压电流的表达式：  ADE7758把测得的功率值通过脉冲输出到单片机的计数器，单片机根据脉冲频率和个数可以换算出风机的功率和消耗的电能。假如三相交流电信号存在缺相、欠压、过压、过流等异常情况，ADE7758可以产生外部中断。单片机通过SPI接口和ADE7758进行数据交换，程序如下： ADE7758的写寄存器子程序： Void WriteSPI（unsigned char regaddr，unsigned char recdata） ｛ 0N_ADE7758（）； SPIF＝0；//使能SPI regaddr＝regaddr 0x80；//地址zui高位为1 SPIODAT＝regaddr； while（SPIF＝＝0）；//判断是否发送完毕 SPIF＝0； SPI0DAT＝recdata； while（SPIF＝＝0）； SPIF＝0； OFF_ADE7758（）； ｝ ADE7758的读寄存器子程序： Unsigned char ReadSPI（unsigned char regadd） ｛ unsigned char recdata； 0N_ADE7758（）； SPIF＝0； regaddr＝regaddr & 0x7f；//地址zui高位为0 SPIODAT＝regaddr； while（SPIF＝＝0）； SPIF＝0； Delay（20）；//延时 OFF_ADE7758（）； return recdata； ｝ 2．4 RS485通讯 RS485采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好，zui大传输距离1200m，zui大传输速率10Mbps，半双工通信方式。本系统有两套RS485通讯线路，一路是控制系统和变频器的通讯，另一路是控制系统和上位机的通讯。 控制系统和变频器的通讯以控制系统为主机变频器为从机，采用一主四从的设计，每个从机对应一个地址，使用主机“轮询”，从机“应答”的点对点通信方式。采用艾默生公司的变频器作为执行设备，该变频器留有RS485接口，组网方便，采用异步、半双工的通讯方式，数据传输率为1200bps。 控制系统和上位机的通讯以上位机为主机，由于煤矿电磁干扰严重，环境恶劣，同时风机房和上位机所在的控制中心距离较远，为了抑制电磁场对信号线的干扰，应避免使用平行电缆，而是采用同轴电缆或双绞线。如果距离仍不能满足现场需求，就使用光纤作为传输介质，使通信距离大大增加。上位机每隔一段时间发送一次命令，下位机根据接收到的命令上传采集的运行数据。 3 系统软件设计 本控制系统要完成数据采集，风机控制工作。系统功能靠多个模块来实现，子模块主要包括：数据采集模块、参数记录模块、变频器控制模块，通讯模块。主程序则完成系统的初始化和各模块的调用. 在数据采集模块中，系统需要检测电压、轴温、风压、电机的运行状况，每5s循环检测一次。在参数记录模块中，单片机记录所得数据和对应时间，以备事故追忆。在变频器控制模块中，通过RS485总线向变频器发出命令，根据风压的大小实现电机转速的闭环控制。在数据传模块中，PC机通过RS485接口把AT24C512内的数据上传到控制中心。 4 结束语 目前国内大部分矿井采用恒速运转的风机。这种不能根据实际需要调整排风量；在风机出现故障时需要手工切换工作设备，并人工上报故障信息，可靠性和实时性都无法满足需要。本文以单片机为核心设计开发风机控制系统，可以采集多种参数，记录风机运行状况，并和上位机通讯。系统在实现自动控制的同时，也可通过操作按键进行手动操作，进一步保证了风机的稳定运行，解决了可靠性和实时性的需求。 |
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