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[摘 要]：風機主扇是煤礦通風設(shè)備的主要部分，對其控制有兩方面需求：一方面是可靠性；另一方面是實時性。本文通過對國內(nèi)外風機主扇控制方法的分析、研究，確定了一種針對雙冗余風機設(shè)備的控制方案。該方案實時監(jiān)測風機軸溫，工作電壓，巷道風壓等參數(shù)，實現(xiàn)了風機工作狀態(tài)的全面監(jiān)控。文章以嵌入式單片機為核心設(shè)計了這一系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和軟件程序。
關(guān)鍵詞：風機監(jiān)控煤礦安全可靠性
0 引 言
煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源和原料，在國民經(jīng)濟中具有重要的戰(zhàn)略地位。在我國一次能源結(jié)構(gòu)中，煤炭將長期是主要能源。近年來，我國煤炭工業(yè)取得了長足發(fā)展，煤炭產(chǎn)量持續(xù)增長。但是，每年煤礦事故總是接連不斷，一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，瓦斯災(zāi)害事故是煤礦企業(yè)中經(jīng)濟損失******、死亡比例最高的重大事故之一。而預(yù)防瓦斯爆炸最主要的措施就是加強礦井通風，降低瓦斯?jié)舛?，因此通風機在煤礦生產(chǎn)中就顯得尤其重要。在實際生產(chǎn)中，如果風機出故障，必須立刻啟動備用設(shè)備，這樣要求工作人員24小時值守，時刻監(jiān)視通風機的工作狀態(tài)。為了減少人員投入、減輕工作強度、提高通風系統(tǒng)工作的可靠性，本文開發(fā)出一套風機監(jiān)控系統(tǒng)。
1 風機的雙冗余結(jié)構(gòu)
礦用風機采用冗余結(jié)構(gòu)，一主一備兩套設(shè)備（如圖1所示），在一套出現(xiàn)故障時另一套系統(tǒng)可以馬上投人運行。主風機擁有兩臺電機（M1、M2），備風機也擁有兩臺電機（M3、M4），兩臺電機同時工作，增加通風效果。風機采用雙回路供電，通過一個電源切換裝置，進行主備電源的切換。風機和電源的雙冗余結(jié)構(gòu)，大大提高了風機裝置的可靠性。
2 系統(tǒng)的實現(xiàn)
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)以MCU為核心，實時監(jiān)測電源電壓、風壓、電機軸溫3種模擬量。綜合考慮了成本和性能，選用Cygnal公司的C8051F單片機做系統(tǒng)的MCU；電壓、電流的檢測選用了電量檢測專用芯片ADE7758；選用溫度感應(yīng)器DS181320完成4臺電機的軸溫和環(huán)境溫度檢測；選用煤礦專用的風壓傳感器KG9501B測量巷道內(nèi)的風壓。所有傳感器檢測到的參數(shù)傳輸?shù)絾纹瑱C中計算分析，并且在LCD上顯示?？刂葡到y(tǒng)通過RS485總線與變頻器連接，控制電機調(diào)速。系統(tǒng)對風機工作狀況全程記錄，所有數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)，通過RS485總線傳給上位機。
2．2 溫度檢測
系統(tǒng)需要監(jiān)測電機主軸的溫度，取每個主軸的前端和后端作為溫度監(jiān)測點。同時監(jiān)測室內(nèi)和室外溫度?？紤]到監(jiān)測點多，需要大量導(dǎo)線，為了克服這一缺點便于安裝和提高檢測精度使用了DS18820單總線的溫度傳感器。
在多點測溫時，多個DS18820同時掛接在單一總線上，系統(tǒng)之所以能夠識別出每個DS18820，主要是根據(jù)每個傳感器中存有的全球唯一的地址碼。在測溫前一個很重要的工作就是對傳感器進行編碼，把DS18820的地址碼和其安裝位置一一對應(yīng)。把傳感器編碼寫在DS18820內(nèi)部的2BYTE的E2RAM中。
在讀取溫度參數(shù)時，即可以通過“Search Rom”指令，自動尋出總線上傳感器的個數(shù)和其唯一的位地址碼，但此時單片機并不知道傳感器對應(yīng)的位置，所以當單片機尋到地址碼后馬上向總線上發(fā)送此地址碼，用于選中該傳感器與單片機進行通訊。此時，單片機發(fā)送“Read Rom”指令，將該傳感器的E2RAM中所存放的傳感器位置參數(shù)讀出，因為E2RAM，事先已進行了傳感器編碼，存放著各個傳感器所對應(yīng)的測點位置。通過以上的步驟，即可自動尋出總線上全部傳感器地址碼以及事先寫入的傳感器的位置編碼和溫度值。
2．3 電壓、電流檢測
控制系統(tǒng)需要實時監(jiān)測電網(wǎng)電信號的質(zhì)量，并掌握風機所消耗的電能。ADI公司生產(chǎn)的三相電量檢測專用芯片ADE7758滿足了這一需求。ADE7758的每個電流、電壓輸入信號首先經(jīng)過一個可編程增益放大器，然后進入24位∑－ΔADC。信號經(jīng)過濾波、積分、相位補償調(diào)理后進入ADE7758的DSP內(nèi)核，它能自行計算出有功功率、無功功率、電壓有效值和電流有效值等參數(shù)。首次使用時要對ADE7758芯片進行校準，把校準參數(shù)寫入相應(yīng)的校準寄存器來減小外部元器件引起的誤差。電量檢測原理：
（1）電網(wǎng)上的電流、電壓為正弦交流信號，其瞬時值表達式：
（2）一旦電流和電壓存在相位則會產(chǎn)生無功功率，假設(shè)相位差為θ則電壓電流的表達式：
ADE7758把測得的功率值通過脈沖輸出到單片機的計數(shù)器，單片機根據(jù)脈沖頻率和個數(shù)可以換算出風機的功率和消耗的電能。假如三相交流電信號存在缺相、欠壓、過壓、過流等異常情況，ADE7758可以產(chǎn)生外部中斷。單片機通過SPI接口和ADE7758進行數(shù)據(jù)交換，程序如下：
ADE7758的寫寄存器子程序：
Void WriteSPI（unsigned char regaddr，unsigned char recdata）
｛
0N_ADE7758（）；
/*寫寄存器地址*/
SPIF＝0；//使能SPI
regaddr＝regaddr 0x80；//地址最高位為1
SPIODAT＝regaddr；
while（SPIF＝＝0）；//判斷是否發(fā)送完畢
SPIF＝0；
/*寫寄存器數(shù)據(jù)*/
SPI0DAT＝recdata；
while（SPIF＝＝0）；
SPIF＝0；
OFF_ADE7758（）；
｝
ADE7758的讀寄存器子程序：
Unsigned char ReadSPI（unsigned char regadd）
｛
/*寫寄存器地址*/
unsigned char recdata；
0N_ADE7758（）；
SPIF＝0；
regaddr＝regaddr & 0x7f；//地址最高位為0
/*讀寄存器地址*/
SPIODAT＝regaddr；
while（SPIF＝＝0）；
SPIF＝0；
Delay（20）；//延時
OFF_ADE7758（）；
return recdata；
｝
2．4 RS485通訊
RS485采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾性好，******傳輸距離1200m，******傳輸速率10Mbps，半雙工通信方式。本系統(tǒng)有兩套RS485通訊線路，一路是控制系統(tǒng)和變頻器的通訊，另一路是控制系統(tǒng)和上位機的通訊。
控制系統(tǒng)和變頻器的通訊以控制系統(tǒng)為主機變頻器為從機，采用一主四從的設(shè)計，每個從機對應(yīng)一個地址，使用主機“輪詢”，從機“應(yīng)答”的點對點通信方式。采用艾默生公司的變頻器作為執(zhí)行設(shè)備，該變頻器留有RS485接口，組網(wǎng)方便，采用異步、半雙工的通訊方式，數(shù)據(jù)傳輸率為1200bps。
控制系統(tǒng)和上位機的通訊以上位機為主機，由于煤礦電磁干擾嚴重，環(huán)境惡劣，同時風機房和上位機所在的控制中心距離較遠，為了抑制電磁場對信號線的干擾，應(yīng)避免使用平行電纜，而是采用同軸電纜或雙絞線。如果距離仍不能滿足現(xiàn)場需求，就使用光纖作為傳輸介質(zhì)，使通信距離大大增加。上位機每隔一段時間發(fā)送一次命令，下位機根據(jù)接收到的命令上傳最新采集的運行數(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本控制系統(tǒng)要完成數(shù)據(jù)采集，風機控制工作。系統(tǒng)功能靠多個模塊來實現(xiàn)，子模塊主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)記錄模塊、變頻器控制模塊，通訊模塊。主程序則完成系統(tǒng)的初始化和各模塊的調(diào)用.
在數(shù)據(jù)采集模塊中，系統(tǒng)需要檢測電壓、軸溫、風壓、電機的運行狀況，每5s循環(huán)檢測一次。在參數(shù)記錄模塊中，單片機記錄所得數(shù)據(jù)和對應(yīng)時間，以備事故追憶。在變頻器控制模塊中，通過RS485總線向變頻器發(fā)出命令，根據(jù)風壓的大小實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。在數(shù)據(jù)傳模塊中，PC機通過RS485接口把AT24C512內(nèi)的數(shù)據(jù)上傳到控制中心。
4 結(jié)束語
目前國內(nèi)大部分礦井采用恒速運轉(zhuǎn)的風機。這種不能根據(jù)實際需要調(diào)整排風量；在風機出現(xiàn)故障時需要手工切換工作設(shè)備，并人工上報故障信息，可靠性和實時性都無法滿足需要。本文以單片機為核心設(shè)計開發(fā)風機控制系統(tǒng)，可以采集多種參數(shù)，記錄風機運行狀況，并和上位機通訊。系統(tǒng)在實現(xiàn)自動控制的同時，也可通過操作按鍵進行手動操作，進一步保證了風機的穩(wěn)定運行，解決了可靠性和實時性的需求。 |
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