基于ARM9的自適應礦井主扇風機監控系統設計

摘要：針對我國礦山工業中主扇風機運行需要人工24小時值守監控的情況，設計了一種基于ARM9的自適應礦井主扇風機監控系統，它能實現自動監控。該系統采用DCS結構形式，可擴展性和可維護性強。控制層通過RS 485總線將采集到的信息傳輸到監控屢。為實現可靠的變頻控制，采用了一種魯棒性和自適應能力強的積分分離PID控制算法。對硬件和軟件的抗干擾性進行了優化設計，使系統達到了礦山工業的抗干擾等級要求。
關鍵詞：監控；主扇風機；DCS；積分分離PID；ARM9

0 引言
礦井主扇風機是礦山的主要通風設備，任務是排除礦井中的粉塵和污濁氣體，降低礦井內的瓦斯濃度。但國內大多數煤礦產業中使用的主扇風機控制技術，多年來一直沒得到改善，沒有完善的安全監控儀表設施和裝置，而且需要24 h值守的工作人員。因此，要提高煤礦生產的安全性，改善主扇風機工作人員生產環境惡劣和生活的極度不方便等問題，必須解決風機自動化控制技術和監測技術。本文介紹了一種自適應礦井主扇風機監控系統的設計方法，有效地解決了以上問題。

1 主扇風機的結構
為了保證礦山作業的安全，礦井中的主扇風機必須24 h工作，因此主扇風機采用了雙冗余結構，如圖1所示。

礦井中的通風系統必須處于長時間不問斷運行狀態，若是一直運行一個風機組，會影響風機壽命，所以每個礦井有A，B兩個通風口，需要配置機組I、機組Ⅱ兩套機組，每套機組分別有兩個電機。兩個風機組必須每隔一段時間進行切換運行，以延長風機設備的壽命，同時也能防止某臺風機組由于長時間不運行而出現故障的情況。
這種雙冗余結構也能有效地提高主扇風機工作的可靠性。一旦當前運行的風機組出現故障時，另外一套風機組需要在最短時間內啟動工作，以保證通風系統的時刻運行。

2 主扇風機監控系統的設計
2．1 系統總體結構
主扇風機監控系統的設計采用了DCS集散控制系統結構，是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，它綜合了計算機(Computer)、通信(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活。主扇風機監控系統涉及溫度、轉速、壓力等多點多類型物理量控制，因此非常適合DCS的應用。
系統結構分為三層，儀表層、控制層和監督層，如圖2所示。

第一層為監督層(上層)。主要作用是提供人機交互界面，對風機進行遠程監控，顯示并且保存風機的運行參數，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到的數據，通過特定的算法控制，驅動可控部件，使風機運行在特定狀態。同時通過RS 485總線與監督層通信，將現場參數與事件上傳給監督層。
第三層為儀表層(下層)。主要作用是使用各類傳感器獲取現場參數，包括：溫度傳感器檢測風機軸溫和室內外溫度，風壓傳感器檢測井內風壓，轉速傳感器檢測風機轉速，電量檢測單元檢測風機電參數后，通過傳送到控制層，同時還能進行電源、風機、風門的到位檢測。