一种基于ARM的煤矿主通风机监控系统

摘 要 为了能够有效地解决目前大多数煤矿所使用的主通风机监控系统中存在的问题，文章提出了基于ARM芯片的一种煤矿主通风机监控系统的设计解决方案，着重对该解决方案的软、硬件设计以及主要功能的实现进行详细介绍。该系统解决方案能够完成对煤矿主通风机各个参数的实时性采集和监控，能够保证主通风机高效而稳定地工作，具备现在大多数监控系统所不具有的远程控制的能力。

关键词 ARM；煤矿；主通风及；监控系统

中图分类号：TD441 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）05-0022-01

在对煤矿进行生产运作时，煤矿矿井中的主通风机的主要任务是向矿井下注入新鲜的空气，把有毒的有害的气体排出等，对煤矿开采工作的安全性与能源的节约性具有重大的作用。为了实现对煤矿主通风机监控系统的完整性设计的要求，现以工业自动化领域中通用的标准协议Modbus，利用基于ARM Cortex-M3系列微控制器的先进的嵌入式技术设计煤矿主通风机监控系统方案，以确保对煤矿主通风机的运行状况进行实时有效监控。在该系统中，为了能够对主通风机的性能和状态进行时刻监控，使用了技术先进、运行稳定的传感器与微处理器，并能够及时监测在煤矿中的主通风机的运行状况以及运行参数，经处理后，对变频器进行相关操作，从而控制主通风机的风量，从而提高其运行效率。在该系统中，以往系统中使用的、技术上落后的设备管理方法将被改变，使得煤矿主通风机的自动化管理水平有所提高，并可以使用监控站的计算机对主通风机的运行状况进行远程监控，从而确保主通风机能够安全、高效地运行，有利于对煤矿设备的维护与管理工作。

1 系统的总体方案设计

本文介绍的监控系统解决方案的设计模式为使用上位机与下位机的组合，并具有两种控制模式：远程控制模式与本地控制模式。本系统的主控制芯片使用ARM Cortex-M3系列微控制器，作为上位机；主通风机的运行参数通过数据采集模块在下位机的液晶显示屏中进行显示，系统中还配有KYFB-2型的综合保护系统，能够实现对线路的有效保护和预警。利用基于ARM芯片的微处理器配置上位机，能够对主通风机的运行数据进行采集、显示以及存储与输出数据，而且提供简单且友好的操作界面给操作人员。

2 煤矿中基于ARM的主通风机监控系统的硬件设计与软件设计方案

2.1 煤矿中监控系统的硬件方案设计

在该系统中采用基于ARM的LPC1752（ARM Cortex-M3系列）芯片作为微处理器单元，不仅能够满足实际工程的需要对系统的运行状况进行有效的监测与预警，同时系统价格低廉，运行稳定可靠。该监控系统使用开关控制模块进行控制、使用信号采集模块进行数据采集、用Modbus通讯模块完成模块间的通信，将各种主通风机的运行参数传递给微处理器单元LPC1752，该芯片能够通过主通风机参数的变化，对主通风机频率进行调节，对主通风机的运行状态进行控制，从而满足矿井的通风要求。而且，控制信号能够经由无线以太网模块传输给上位机并进行相关数据的处理，从而实现远程监测与控制的目的。

要有效进行主通风机的监控管理，就必须要采集主通风机的各个运行状态参数；采集主通风机运行的主要参数的原理如下。

1）监测与采集主通风机运行时的温度信号。该系统通过红外温度传感器测量电动机三相绕组的温度以及轴承定子的温度，并且采集温度的变送器使用防爆温度变送器，然后将二者所测量到的温度电平专程标准的电流信号输入模数转换器中进行转换，进而送给微处理器进行相关计算或操作。

2）监测主通风机的运行状况。监视与测量煤矿中的主通风机的运行状况需要用到开停传感器。该传感器采集到信号之后并进行相应模数的转换后，送入到微处理器中进行处理。

3）检测主通风机的流量。为了能够对风量进行有效测控，需要在风道中安装气体测量装置，并通过流量传感器计算获得实时需要的流量信号，转换成电流信号之后，送入模拟量输入模块中进行转换，最后输入到微处理器中进行相关处理操作。

4）对主通风机的风道中的压力进行检测。在主通风机的入口处选择相应的测量点进行钻孔，从而能够对主通风机风道中的静压与全压进行有效检测，然后通过压力传感器把采集到的压力信号送入到模拟量输入处理模块中，最后在微处理器单元中进行相关处理操作。

5）监测煤矿主通风机运行时的电气性能参数。电动机的运行电压、空载时的运行电流、接有负载时电流以及励磁电流、电压、功率、功率因素等是主通风机的主要电气性能参数，这些电气参数的监测利用综合监测装置对其进行监测、采集，然后送到微处理器中进行后续操作。

2.2 主通风机监控系统的软件设计

在本系统的软件设计中采用可在ARM平台使用的技术先进的μC/OS-II操作系统实现数据的处理任务、数据的显示任务、键盘输入的扫描任务以及各个模块间的通信任务，并管理各个进程。对数据的处理任务主要是将所采集到的运行状态信号进行模数转换；数据显示任务是在液晶屏上显示当前所测得的数据参量；键盘的扫描任务则是实现键盘输入进行扫面，从而进行参数的修改与设置，而模块间的通信任务则是对上、下位机的数据进行互换、通信，能够保障远程控制中的数据实时性与有效性。

3 主通风机监控系统的抗干扰设计

主通风机在煤矿的设备中属于功率容量比较大的设备，并且常处在运行状态，因而对系统的运行可靠性与抗干扰能力的要求较高。使得监控系统受到干扰的主要因素为电缆产生的电磁干扰、供电系统的电源干扰、信号输入个模块间的耦合串扰、系统接地电平存在差异所产生的环电流干扰。

鉴于上述的各个干扰因素，在本系统采用了相应的隔离与抗干扰手段，例如采用屏蔽线，将信号线与电源线分开，传感新的输入信号采用直流信号，微处理器采用UPS稳压电源进行供电。同时软件具有自复位等抗干扰能力。

4 结束语

本文的基于ARM的煤矿主通风机监控系统能够实时地监测与采集主通风机运行的各参量数据并对其进行相应处理操作，同时也能够实现远进程控制。该系统具有安全性高、稳定性强、实用性好的优点，能够满足煤矿全天连续工作的要求。

参考文献

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[2]赵海鸣，卜英勇，何学文.大型风机实时状态监测与保护系统开发[J].采矿技术，2006（03）.