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。
2．2 硬件設計
主扇風機監控系統的硬件結構如圖3所示。
主控制器使用的是ARM9核心板。電量檢測單元檢測風機的電狀態包括：電壓、電流、功率、功率因數等參數。溫度傳感器檢測風機的軸溫，風壓傳感器檢測礦井中的風壓。ARM9核心板根據采集到的數據控制可控模塊，控制主備電源切換，控制風機組的工作切換，控制變頻器調速。LCD顯示屏提供現場人機交換界面，數據記憶SD卡提供現場數據備份，存儲器儲存用戶設置的現場額定參數，RS 485總線用于與上位機通信。同時主備電源的切換與工作風機組切換也可以使用手動控制。
2．3 變頻調速控制風壓的積分分離PID模型
2．3．1 標準PID控制算法
在模擬系統中，PID的算法為：
系統的控制框圖如圖4所示。
2．3．2 積分分離PID控制算法
在該系統中，如果e偏離較大，系統在啟動、停止或大幅度調節時，由于積分項的作用，會出現飽和和較大的超調量。為了消除上述現象，可以采用積分分離算法，將PID和PD結合起來，在誤差比較大，超過某一規定值時，取消積分，只用PD控制，改善系統的動態特性；在誤差比較小時，采用PID控制，保持穩態特性。
積分分離的PID算法為：
2．3．3 積分分離PID控制算法參數設定
在變頻控制系統中，使用合適的KP，KI，KD，KE等參數，可以達到優質的控制效果。該工程中確定參數的方法是在實際中使用經驗法來確定PID控制器的最優參數。先根據經驗給定參數值，然后閉環運行觀察系統的響應情況，根據響應情況反復調整參數，直到得到滿意的結果為止。
2．4 控制流程
系統軟件使用C語言編寫，使用模塊化編程，采用了中斷模式的程序結構，有效地提高了系統的效率。系統軟件控制流程圖如圖5所示。
3 抗干擾設計
監控系統的工作環境往往是十分惡劣的，在運行時會受到來自系統內部和外部的干擾。嵌入式系統在比較復雜的情況下，會出現測量不準，控制錯誤，狀態混亂，死機等情況。而礦井主扇風機是否正常運行，關系著礦山生產的安全，因此要保證監控系統的可靠安全運行，抗干擾設計是必不可少的。
3．1 硬件抗干擾設計
在硬件方面，使用通過EMC認證的電源模塊給系統供電。在PCB制作時，要嚴格按照PCB抗干擾設計的原則，布線時盡量減少回路面積，減少回路噪聲；電源線和地線盡量粗，除減少壓降外，還可以降低耦合噪聲。信號采集模塊輸入以及開關量輸入／輸出時需要添加光電耦合隔離器，切斷兩個電路之間的電氣聯系。
3．2 軟件抗干擾設計
在軟件方面，使用軟件看門狗技術、軟件陷阱技術，以及數字濾波技術。ARM9系統中自帶看門狗定時器，當看門狗定時器溢出時，在中斷子程序中使用跳轉指令，跳轉到錯誤處理程序，從而實現對“跑飛”程序的引導。在應用程序中插入軟件陷阱程序，當CPU正常運行時，不會執行軟件陷阱程序段，當系統受到干擾“跑飛”的時候，由于程序計數器PC值錯誤，落入了軟件陷阱程序，軟件陷阱程序就將程序引導到正確的程序地址。在程序關鍵的地方加入“NOP”指令，增強陷阱程序的捕捉能力。在采樣溫度、風壓等環境參數時，由于電信號和磁場環境的干擾，采樣值與實際值之間容易出現較大的偏差，該系統中使用防脈沖平均值濾波法。每次采樣時，采樣N(N>6)個值，去掉采樣值的最大值和最小值，再將剩下的N-2個值取平均，得到的值作為最終采樣值輸入。這樣，就可以有效地消除脈沖干擾。
4 結語
安全生產是礦山工業永恒的主題，主扇風機作為保證礦山安全生產的重要設備，必須保證連續運行。而工作狀態監控系統是保障主扇風機連續運行的重要手段，本文根據國內礦山工業主扇風機的使用狀況，研究設計了一種基于ARM9的礦井主扇風機監控系統。系統可對軸溫、風壓、供電電壓、供電電流等多種與主扇風機運行狀況相關的參數進行實時監測記錄，通過積分分離PID算法，使變頻器對礦井風壓進行自適應控制，同時通過RS485與上位機通信，實現遠程控制。該設計有效地解決了目前國內大多數風機控制不能根據實際情況自動調整排風量，需要24小時人工值守，耗能大，可靠性和實時性差等問題，具有一定的實用性和推廣性。
