智能風機控制系統設計及應用*

李 充，王健飛，趙 振

（空軍裝備部駐長春地區軍事代表室，長春 130102）

0 引言

通風系統廣泛應用于礦井、礦山、隧道等場所，是這些場所環境保障非常重要的一個組成部分。現階段有很多通風系統的工作環境惡劣，安裝及維修困難，所以采用無人值守的智能風機控制系統是大勢所趨。現有的智能風機控制系統控制策略及控制邏輯基本都是在工業計算機上實現的[1-4]，通常有現場監測及控制層、中央管理層、遠程監控層等。這種模式的優點是計算機計算能力強，控制策略可實現多樣化，拓展能力強，一套系統可控制多臺執行單元。缺點是成本比較高，用為計算機自身原因，系統可靠性一般不是很高[5]。

現在使用的基于嵌入式控制系統的風機控制系統，主要是基于PLM控制器進行開發的[6-7]，少部分是利用DSP及ARM等單片機[8-9]進行開發的。嵌入式控制系統的優點是系統可靠性較高，成本相對較低，缺點是開發的難度較大，且因為系統資源的限制，計算速度較低，控制的智能化不高，系統的可拓展性差。

本文根據遠程、智能、高可靠性控制的需求特點，同時需要滿足調試方便、每臺風機能夠正轉、反轉的功能，結合經濟性需求，提出了一種本地控制系統與遠程終端指令控制相結合的控制方法。遠程終端選用帶有網口的通用計算機或智能終端即可，本地控制系統設計為基于DSP+FPGA架構的嵌入式風機控制系統，DSP選用具有浮點計算功能的芯片。利用浮點DSP的強大計算能力和FPGA的可塑性，增強該嵌入式系統的計算速度，增強了系統的可拓展性，提高了系統的智能化水平。

1 系統組成

智能風機控制系統由本地控制系統和遠程終端組成，系統組成如圖1所示。

圖1 智能風機控制系統組成

本系統選用在原有的計算機上開一個進程執行遠程終端功能。遠程終端只需具有網絡通訊功能且能夠按照通訊協議收發信息即可，此類設備為通用設備，在本文中不再贅述。

本地控制系統主要由面板、電子電路及電氣電路3部分組成，如圖2所示。

圖2 本地控制系統組成

其中面板上的狀態開關用于手動控制、自動控制、遙控控制這3種工作狀態的轉換。電子電路主要由控制電路板、溫濕度傳感器等組成，控制電路板用于采集溫濕度傳感器、狀態開關、風機開關、電流互感器等信息，接收主、輔通訊口的控制命令，根據這些信息及預設的控制邏輯控制接觸器，從而達到控制風機的目的，并把采集到的環境信息及風機運行信息通過主、輔通訊口外發給遠程終端。電氣電路用于弱電信號和強電信號的轉換，主要由電源開關、過流保護器、接觸器、電流互感器等電氣元器件組成，用于執行風機的開關、測量風機的工作電流及對風機的保護等。

2 系統功能及工作原理

本地控制系統能夠控制4臺風機工作，正常工作時2臺風機為一組，一臺用于進風，一臺用于出風，利用2組風機通風對工作場所進行降溫。本地控制系統具有電源缺項保護功能、過流保護功能和風機過熱保護功能等保護功能。本地控制系統有3種工作模式，手動控制、自動控制和遙控控制，這3種工作模式可以通過面板的控制開關進行轉換。

手動控制模式主要用于設備調試及異常狀況下的應急使用，在此模式下每臺風機都只能由面板上的對應風機開關控制，控制該風機的正傳、反轉、停止。

自動控制模式是根據溫度信息控制2組風機的工作和停止，設置有2檔溫度閾值。當溫度上升到第一檔溫度閾值時，啟動一組風機工作，當溫度上升到第二溫度閾值時2組風機同時啟動工作。為了設備的可靠性及壽命，當需要啟動一組風機時，風機組的選擇根據累計工作時間自動切換，能夠使兩組風機的累計工作時間基本一致，延長設備壽命。

遙控控制模式是根據接收到的控制指令對風機進行相應的控制，主要用于遠程人工干預控制或遠程二次開發控制。可以根據新的需求，開發新的控制邏輯。

3 本地控制系統設計

本地控制系統的設計有電子學硬件設計、軟件設計、結構設計。考慮到抗腐蝕性及電磁兼容性等要求，本地控制系統結構設計為一個密閉的不銹鋼箱體，可以根據實際需求進行更改，在此處不多做贅述。

3.1 硬件設計

電子學硬件設計主要有3部分，面板設計、控制電路板設計、電氣電路設計。

面板主要具有狀態選擇功能、手動控制時手動控制開關、狀態顯示功能等。面板部分有一個三狀態開關用于工作模式選擇。有4個風機開關，每個開關用于對應風機的手動控制。一個電源指示燈，3個工作模式指示燈，4個工作狀態指示燈和4個故障指示燈，及對應的標識等組成。

控制電路板采用DSP+FPGA架構，結合DSP的計算處理優勢及FPGA可編程外設接口優勢。因為系統高可靠性的需求，控制電路板除CPU和FPGA以外，都采用熱備份。控制電路板根據所需具有的電源缺項檢測功能、溫濕度測量功能、對外通訊功能、接收面板狀態信息功能、給面板發送控制信息功能、接收電氣電路的信息和給電氣電路發送控制命令功能等功能需求。控制電路板的結構框圖如圖3所示。

圖3 控制電路板結構

其中，缺項檢測采用3個AC/DC模塊LD12-20B12把三項四線電源轉換成三路直流信號，通過檢測這三路直流信號完成電源缺項檢測功能。因為系統的數據計算量不大，DSP和FPGA的選用沒有特殊要求，本系統選用應用成熟的DSPVC33和EP1C12Q240I7，其他器件都為嵌入式電路常用器件，根據需求選取即可，在此不再贅述。

電氣電路主要用于弱電與強電的轉換，利用TTL電平控制380 V動力電，檢測380 V輸出電流，并具有過流保護功能。主要由接觸器、電流互感器、空開組成。由接觸器完成TTL電平控制380 V動力電，由電流互感器完成380 V輸出電流檢測并輸出模擬信號，當輸出電流過大，空開會自動斷開實現過流保護。

3.2 軟件設計

本地控制系統的控制邏輯實現及數據處理計算等工作都是在DSP內部完成，所以軟件設計主要介紹DSP軟件程序設計，FPGA的程序設計主要是用于實現外設接口，在此不做介紹。

DSP軟件根據功能可分為初始化模塊、中斷模塊、工作狀態識別模塊、傳感器模塊、警報模塊、通訊模塊、控制模塊7個功能模塊。

（1）初始化模塊用于對風機控制系統的變量、輸出量、寄存器進行初始化，并將初始化信息傳送至控制模塊。初始化后能使系統中的相關變量處于固定的已知狀態，避免因某個變量的不確定狀態引起程序運行過程中BUG。

（2）中斷模塊利用定時中斷循環執行控制系統的相關邏輯，除初始化外，所有的功能模塊都在中斷內執行。首先進行風機的電源的缺相信息判斷，并將缺相信息傳送至控制模塊。

（3）工作狀態識別模塊用于識別工作模式，工作模式有手動控制模式，自動控制模式，遙控控制模式，并將風機控制系統的狀態信息傳送至控制模塊。

（4）傳感器模塊用于采集風機工作的電流值、風機轉速、風機的工作環境溫度值和風機的工作溫度值，并分別傳送至控制模塊。

（5）報警模塊用于根據輸出控制信號、傳感器測量值等信息及它們之間的相互邏輯關系判斷出當前系統運行狀態，并輸出狀態信息給控制模塊[10-13]。

（6）通訊模塊用于把需要輸出的信息按照通訊協議編譯后輸出，把接受的指令信息按照通訊協議釋義出后發送給控制模塊。

（7）控制模塊用于實現初始化模塊、中斷模塊、工作狀態識別模塊、傳感器模塊、通訊模塊之間的數據交互，并根據溫度值、電流值、通訊模塊信息、狀態信息產生相應的控制信號，控制信號控制至風機工作在相應的工作模式或向報警模塊發送報警信號。

軟件的程序流程如圖4所示。根據自動化及可靠性的需求，當工作在遙控模式時，如果在一定的時間內沒有接收到有效的控制指令時，系統會自動轉入自動控制模式。因此即使通訊鏈路故障也不會影響系統的正常工作，相較于在工業計算機上開發的控制系統極大的提高了系統的可靠性。

圖4 中斷程序流程

4 應用效果分析

將以上設計研究的智能風機控制系統應用到某通風場合，對其應用效果進行了詳細分析。

智能風機控制系統中本地控制系統是自研開發的嵌入式控制系統，由于在一些環境條件下計算機是無法正常工作的，相較于計算機系統，本地控制系統可以應用的環境范圍更廣。同時本地控制系統可以采用不同等級的器件找到環境適應性與成本的平衡點，達到效益最大化。

智能風機控制系統可以實現高可靠性。因為計算機系統的操作系統運行長時間后，系統運行速度會變慢，并且出故障幾率會增大。嵌入式系統的軟件規模非常小，邏輯嚴密，運行功能性能不會隨著時間改變，運行穩定可靠。智能風機控制系統樣機交付客戶后，至今已運行17個月，沒有發生故障。

5 結束語

本文針對遠程、智能、高可靠性的風機控制需求，及其他功能性能需求，根據工程實際情況，提出本地控制系統與遠程終端指令控制相結合的控制模式。

利用該控制模式研制本地控制系統一套。相較于現有嵌入式風機控制系統，本系統主要有以下3點區別：（1）本系統有3種控制模式，分別為手動控制模式、自動控制模式和遙控控制模式，調試方便、控制方式豐富；（2）本地控制系統的環境適應性及成本之間得平衡關系，可以通過選取不同等級的器件得到優化，提高產品性價比；（3）本地控制系統增加了風機的反轉功能，在一些特殊的場合，該功能非常重要，拓展了系統的應用場景。

最后通過樣機無故障運行17個月，驗證了智能風機控制系統遠程、智能、高可靠性。在接口可拓展性和帶載能力的可拓展性及智能化方面可以繼續開展這幾方面的研究。