光辛亥

（華陽集團(tuán)礦山救護(hù)大隊(duì)，山西 陽泉 045008）

引言

近年來，煤礦井下因通風(fēng)不善導(dǎo)致的瓦斯爆炸及中毒事故時(shí)有發(fā)生，不僅威脅井下礦工的生命安全，還會導(dǎo)致煤炭井下作業(yè)的停滯甚至重大事故，給工人和企業(yè)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。礦用通風(fēng)機(jī)作為井下通風(fēng)的重要設(shè)備，被稱為“礦井肺臟”，負(fù)責(zé)井下有害氣體的排出和新鮮空氣的輸入，確保井下煤炭采掘工作的正常開展[4]。隨著煤礦采掘工作任務(wù)的加重，對通風(fēng)機(jī)工作可靠性要求越來越高，尤其是如何實(shí)時(shí)掌握通風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)問題現(xiàn)已引起煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注[5-6]。因此針對礦用通風(fēng)機(jī)對實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的需求現(xiàn)狀，以某型號礦用通風(fēng)機(jī)為研究對象，開展實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究工作具有重要意義。

1 礦井通風(fēng)不善原因分析

結(jié)合某型號礦井通風(fēng)機(jī)通風(fēng)現(xiàn)狀，分析得出產(chǎn)生通風(fēng)不善的原因涉及以下兩個(gè)方面：第一是通風(fēng)機(jī)使用年限已久，這是大多數(shù)煤炭企業(yè)存在的情況，如帶病工作、未報(bào)廢繼續(xù)使用等；第二是礦用通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測不完善，多采用單一儀器或者人工形式，監(jiān)控效率和準(zhǔn)確度較低，不滿足礦井通風(fēng)設(shè)備監(jiān)測的數(shù)字化和信息化發(fā)展要求，同時(shí)也不能做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)偏離或者不安全事故隱患等，以便提前采取有效的防護(hù)措施?；谏鲜龅V井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀及不足，開發(fā)較為高效的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，提高其工作的可靠性，保證通風(fēng)效果，避免煤礦井下安全事故的發(fā)生意義重大，同時(shí)也會提高煤炭企業(yè)的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。

2 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)方案

根據(jù)煤礦井下通風(fēng)機(jī)實(shí)際工作情況確定其通風(fēng)不善產(chǎn)生的主要原因是缺乏科學(xué)有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，基于此開發(fā)了與之配套的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，其具體組成如圖1 所示。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)組成包括主控電路、信號采集、通信、開關(guān)量輸出、人機(jī)交互等模塊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控井下通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，采集相關(guān)工作參數(shù)數(shù)值，為通風(fēng)機(jī)監(jiān)控人員提供實(shí)測工作數(shù)據(jù)，并且可以根據(jù)實(shí)際工作情況遠(yuǎn)程操控通風(fēng)機(jī)。

圖1 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)組成

3 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 主控電路模塊

監(jiān)控系統(tǒng)主控電路模塊主要由微處理器、時(shí)鐘電路、電源和系統(tǒng)調(diào)試模塊組成，其中微處理器型號為STM32F103VB，具有32 位Cortex-M3 內(nèi)核，具有較快的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理性能。電源模塊主要功能是為系統(tǒng)提供+24 V、5 V 和3.3 V 電源，其中5 V 和3.3 V電源分別由24 V 電壓經(jīng)過LM2596S-5.0 和AMS1117 穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換得到，以供各個(gè)電器元件使用。STM32F103VB 微處理器工作上限的時(shí)鐘頻率為72 MHz，其OSC_IN 輸入端接收上限為25 MHz，其內(nèi)部振蕩電路采用支持1～16 MHz 的外部晶體，外接晶體振蕩器的頻率大小為8 MHz。

3.1.2 信號采集模塊

傳感器作為通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的元器件，其采集得到的是物理量，不能直接被監(jiān)控系統(tǒng)讀取處理，因此該模塊設(shè)計(jì)了信號調(diào)理功能，轉(zhuǎn)換得出適合后續(xù)測控單元接口的信號。溫度、運(yùn)行參數(shù)和風(fēng)壓等采集數(shù)據(jù)需要調(diào)理模塊的處理，將物理量轉(zhuǎn)換成為系統(tǒng)識別的4～20 mA 的電流信號或者0～5 V 的電壓信號。因主控芯片STM32F103VB 的A/D 轉(zhuǎn)換參考電壓為3.3V，因此需要將傳感器輸出信號調(diào)理為3.3V，進(jìn)而滿足主控芯片中A/D 采樣轉(zhuǎn)換的要求。

3.1.3 通信模塊

監(jiān)控系統(tǒng)中的通信模塊功能是完成主控芯片與外界的信息數(shù)據(jù)交換，選擇串口異步通信模式實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸通信，采用了通信技術(shù)較為成熟的RS485 和CAN 總線。作為最基本的通信模式，RS485 和CAN 總線均采用的是差分傳輸方式，具有抗干擾能力強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，足以滿足通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求。通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配套兩種通信模式，具體接口連接如下：STM32F103VB 的USART1 和USART2 分別和CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換器和RS-485 轉(zhuǎn)換器連接，將TTL 電平協(xié)議的數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換成CAN 電平和RS-485 電平的通信協(xié)議。RS485 和CAN 總線均采用了差模電平通信，具有較好的抗干擾性和傳輸速率。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 主程序設(shè)計(jì)

井下通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)需要具有實(shí)時(shí)采集通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)顯示和記錄、遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?，基于上述功能設(shè)計(jì)的軟件主程序如圖2 所示，主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤掃描和數(shù)據(jù)通訊等任務(wù)組成。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集任務(wù)負(fù)責(zé)完成傳感器采集數(shù)據(jù)信號的A/D 轉(zhuǎn)換處理；數(shù)據(jù)顯示任務(wù)主要將采集得到的通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)值顯示在液晶屏中；鍵盤掃描任務(wù)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控人員遠(yuǎn)程操控設(shè)置運(yùn)行參數(shù)等功能；通信任務(wù)的功能是完成監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)之間的信息數(shù)據(jù)交換傳輸，為監(jiān)控中心提供可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程圖

3.2.2 數(shù)據(jù)采集程序

通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集程序流程如圖3 所示，其使用外接3.3 V 基準(zhǔn)電壓作為ADC 參考電壓源使用，要求輸入ADC 模塊的電壓值范圍為0～3.3 V，以系統(tǒng)時(shí)鐘的6 分頻為基準(zhǔn)設(shè)置ADC 時(shí)鐘，其值為ADCCLK=72/6=12 MHz，數(shù)據(jù)采集的時(shí)長設(shè)置為71.5 周期，單通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間為TCONV=71.5+12.5=84 周期=7μs。開啟ADC 掃描模式，即可進(jìn)行模擬通道數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并且將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲和軟件濾波處理。完成軟件濾波處理的數(shù)據(jù)經(jīng)DMA 通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳輸。與此同時(shí)，將ADC 轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)標(biāo)志flag 設(shè)置為1，即完成數(shù)據(jù)采集工作，可以開展數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

3.2.3 通信程序

借助主控芯片STM32F103VB 中的三個(gè)異步串行通信接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信和傳輸，數(shù)據(jù)傳輸格式涉及1 位起始位，5～9 位數(shù)據(jù)位、1 位校驗(yàn)位和1～2位停止位。因上位機(jī)和下位機(jī)采用獨(dú)立的時(shí)鐘，要求信號接收設(shè)備和發(fā)射設(shè)備的波特率保持一致，嚴(yán)格同步。該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的接收采用了中斷模式，波特率大小由上位機(jī)決定，暫設(shè)9 600 bit/s 和115 200 bit/s兩種，滿足CAN 總線和RS485 總線的使用要求，采用10 位數(shù)據(jù)幀格式，即1 個(gè)起始位、8 個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位。通信雙方的通信協(xié)議報(bào)文格式如下：前導(dǎo)碼1 為FFH、前導(dǎo)碼2 為EEH、機(jī)號為0-255、數(shù)據(jù)為16 個(gè)字節(jié)、校驗(yàn)碼為2 個(gè)字節(jié)。由此可見，通過兩個(gè)前導(dǎo)碼形成的握手信號和CRC 校驗(yàn)相結(jié)合的方式，保證了上位機(jī)和下位機(jī)之間的可靠通信。

3.3 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面作為通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，其不僅能夠?yàn)楸O(jiān)控人員實(shí)時(shí)顯示井下通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，還能夠根據(jù)運(yùn)行參數(shù)變化趨勢完成通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程操控，如圖4 給出了通風(fēng)機(jī)參數(shù)監(jiān)測界面。由圖4 可以看出，通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)界面包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)曲線，其包括通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的全壓、靜壓、動壓等一系列的參數(shù)值。通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的模擬量輸入通道采集得到的均為標(biāo)準(zhǔn)2.5 V 的電壓信號，通過A/D 轉(zhuǎn)換處理之后傳輸至監(jiān)測界面進(jìn)行顯示，隨著時(shí)間的推移將采集得到的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，注圖中流量、全壓、靜壓的效率與功率暫時(shí)未做數(shù)據(jù)處理。

圖4 通風(fēng)機(jī)參數(shù)監(jiān)測界面

4 應(yīng)用效果評價(jià)

為了驗(yàn)證通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，將其應(yīng)用于某型號礦用通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控中，進(jìn)行了為期半年的跟蹤記錄。結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠完成通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)的使用，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下零瓦斯或者中毒事故的目標(biāo)，減少了近22%通風(fēng)機(jī)維護(hù)成本，提高了近10%的井下生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間，降低了煤炭采掘成本，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近150 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。