礦用通風機實時監控系統的設計與應用研究

光辛亥

（華陽集團礦山救護大隊，山西 陽泉 045008）

引言

近年來，煤礦井下因通風不善導致的瓦斯爆炸及中毒事故時有發生，不僅威脅井下礦工的生命安全，還會導致煤炭井下作業的停滯甚至重大事故，給工人和企業產生巨大的經濟損失[1-3]。礦用通風機作為井下通風的重要設備，被稱為“礦井肺臟”，負責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的加重，對通風機工作可靠性要求越來越高，尤其是如何實時掌握通風機的工作狀態問題現已引起煤炭行業的廣泛關注[5-6]。因此針對礦用通風機對實時監控系統的需求現狀，以某型號礦用通風機為研究對象，開展實時監控系統設計與應用研究工作具有重要意義。

1 礦井通風不善原因分析

結合某型號礦井通風機通風現狀，分析得出產生通風不善的原因涉及以下兩個方面：第一是通風機使用年限已久，這是大多數煤炭企業存在的情況，如帶病工作、未報廢繼續使用等；第二是礦用通風機運行狀態監測不完善，多采用單一儀器或者人工形式，監控效率和準確度較低，不滿足礦井通風設備監測的數字化和信息化發展要求，同時也不能做到及時發現運行參數偏離或者不安全事故隱患等，以便提前采取有效的防護措施。基于上述礦井通風機運行現狀及不足，開發較為高效的實時監控系統，提高其工作的可靠性，保證通風效果，避免煤礦井下安全事故的發生意義重大，同時也會提高煤炭企業的產量和經濟效益。

2 實時監控系統方案

根據煤礦井下通風機實際工作情況確定其通風不善產生的主要原因是缺乏科學有效的實時監測系統，基于此開發了與之配套的實時監控系統，其具體組成如圖1 所示。實時監控系統組成包括主控電路、信號采集、通信、開關量輸出、人機交互等模塊，用于實時監控井下通風機實時工作狀態，采集相關工作參數數值，為通風機監控人員提供實測工作數據，并且可以根據實際工作情況遠程操控通風機。

圖1 實時監控系統組成

3 實時監控系統設計

3.1 硬件設計

3.1.1 主控電路模塊

監控系統主控電路模塊主要由微處理器、時鐘電路、電源和系統調試模塊組成，其中微處理器型號為STM32F103VB，具有32 位Cortex-M3 內核，具有較快的數據運算處理性能。電源模塊主要功能是為系統提供+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 電壓經過LM2596S-5.0 和AMS1117 穩壓芯片轉換得到，以供各個電器元件使用。STM32F103VB 微處理器工作上限的時鐘頻率為72 MHz，其OSC_IN 輸入端接收上限為25 MHz，其內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

傳感器作為通風機監控系統數據采集的元器件，其采集得到的是物理量，不能直接被監控系統讀取處理，因此該模塊設計了信號調理功能，轉換得出適合后續測控單元接口的信號。溫度、運行參數和風壓等采集數據需要調理模塊的處理，將物理量轉換成為系統識別的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 轉換參考電壓為3.3V，因此需要將傳感器輸出信號調理為3.3V，進而滿足主控芯片中A/D 采樣轉換的要求。

3.1.3 通信模塊

監控系統中的通信模塊功能是完成主控芯片與外界的信息數據交換，選擇串口異步通信模式實現與上位機之間的數據傳輸通信，采用了通信技術較為成熟的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、通信距離遠、數據傳輸穩定可靠等優勢，足以滿足通風機監控系統的要求。通風機監控系統配套兩種通信模式，具體接口連接如下：STM32F103VB 的USART1 和USART2 分別和CAN協議轉換器和RS-485 轉換器連接，將TTL 電平協議的數據分別轉換成CAN 電平和RS-485 電平的通信協議。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 軟件設計

3.2.1 主程序設計

井下通風機實時監控系統需要具有實時采集通風機運行狀態參數、數據處理、實時顯示和記錄、遠程傳輸等功能，基于上述功能設計的軟件主程序如圖2 所示，主要由數據采集、數據顯示、鍵盤掃描和數據通訊等任務組成。系統中的數據采集任務負責完成傳感器采集數據信號的A/D 轉換處理；數據顯示任務主要將采集得到的通風機運行參數實時值顯示在液晶屏中；鍵盤掃描任務可以實現監控人員遠程操控設置運行參數等功能；通信任務的功能是完成監控系統上位機和下位機之間的信息數據交換傳輸，為監控中心提供可靠的實時數據。

圖2 監控系統主程序流程圖

3.2.2 數據采集程序

通風機實時監控系統中的數據采集程序流程如圖3 所示，其使用外接3.3 V 基準電壓作為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，以系統時鐘的6 分頻為基準設置ADC 時鐘，其值為ADCCLK=72/6=12 MHz，數據采集的時長設置為71.5 周期，單通道的數據轉換時間為TCONV=71.5+12.5=84 周期=7μs。開啟ADC 掃描模式，即可進行模擬通道數據的轉換，并且將轉換結果存儲和軟件濾波處理。完成軟件濾波處理的數據經DMA 通道進行轉換數據的傳輸。與此同時，將ADC 轉換完成的數據標志flag 設置為1，即完成數據采集工作，可以開展數據處理任務。

圖3 數據處理流程

3.2.3 通信程序

借助主控芯片STM32F103VB 中的三個異步串行通信接口，實現數據的通信和傳輸，數據傳輸格式涉及1 位起始位，5～9 位數據位、1 位校驗位和1～2位停止位。因上位機和下位機采用獨立的時鐘，要求信號接收設備和發射設備的波特率保持一致，嚴格同步。該系統中數據的接收采用了中斷模式，波特率大小由上位機決定，暫設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 位數據幀格式，即1 個起始位、8 個數據位、1個停止位。通信雙方的通信協議報文格式如下：前導碼1 為FFH、前導碼2 為EEH、機號為0-255、數據為16 個字節、校驗碼為2 個字節。由此可見，通過兩個前導碼形成的握手信號和CRC 校驗相結合的方式，保證了上位機和下位機之間的可靠通信。

3.3 人機交互界面

人機交互界面作為通風機實時監控系統的重要組成部分，其不僅能夠為監控人員實時顯示井下通風機的運行狀況，還能夠根據運行參數變化趨勢完成通風機的遠程操控，如圖4 給出了通風機參數監測界面。由圖4 可以看出，通風機運行參數界面包括實時數據和數據曲線，其包括通風機運行時的全壓、靜壓、動壓等一系列的參數值。通風機實時監控系統的模擬量輸入通道采集得到的均為標準2.5 V 的電壓信號，通過A/D 轉換處理之后傳輸至監測界面進行顯示，隨著時間的推移將采集得到的數據繪制成曲線圖，注圖中流量、全壓、靜壓的效率與功率暫時未做數據處理。

圖4 通風機參數監測界面

4 應用效果評價

為了驗證通風機實時監控系統的設計效果，將其應用于某型號礦用通風機運行參數的監控中，進行了為期半年的跟蹤記錄。結果表明，監控系統運行穩定可靠，能夠完成通風機運行狀態的實時監控任務。統計結果表明，該監控系統的使用，實現了煤礦井下零瓦斯或者中毒事故的目標，減少了近22%通風機維護成本，提高了近10%的井下生產作業時間，降低了煤炭采掘成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近150 萬元/年，取得了很好的應用效果。