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)-單片機(jī)
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(méi)得到改善，沒(méi)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(wèn)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(wèn)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。
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礦井中的通風(fēng)系統(tǒng)必須處于長(zhǎng)時(shí)間不問(wèn)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。
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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)。
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。
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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：
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