矿用通风机实时监控系统的设计与应用研究

光辛亥

（华阳集团矿山救护大队，山西 阳泉 045008）

引言

近年来，煤矿井下因通风不善导致的瓦斯爆炸及中毒事故时有发生，不仅威胁井下矿工的生命安全，还会导致煤炭井下作业的停滞甚至重大事故，给工人和企业产生巨大的经济损失[1-3]。矿用通风机作为井下通风的重要设备，被称为“矿井肺脏”，负责井下有害气体的排出和新鲜空气的输入，确保井下煤炭采掘工作的正常开展[4]。随着煤矿采掘工作任务的加重，对通风机工作可靠性要求越来越高，尤其是如何实时掌握通风机的工作状态问题现已引起煤炭行业的广泛关注[5-6]。因此针对矿用通风机对实时监控系统的需求现状，以某型号矿用通风机为研究对象，开展实时监控系统设计与应用研究工作具有重要意义。

1 矿井通风不善原因分析

结合某型号矿井通风机通风现状，分析得出产生通风不善的原因涉及以下两个方面：第一是通风机使用年限已久，这是大多数煤炭企业存在的情况，如带病工作、未报废继续使用等；第二是矿用通风机运行状态监测不完善，多采用单一仪器或者人工形式，监控效率和准确度较低，不满足矿井通风设备监测的数字化和信息化发展要求，同时也不能做到及时发现运行参数偏离或者不安全事故隐患等，以便提前采取有效的防护措施。基于上述矿井通风机运行现状及不足，开发较为高效的实时监控系统，提高其工作的可靠性，保证通风效果，避免煤矿井下安全事故的发生意义重大，同时也会提高煤炭企业的产量和经济效益。

2 实时监控系统方案

根据煤矿井下通风机实际工作情况确定其通风不善产生的主要原因是缺乏科学有效的实时监测系统，基于此开发了与之配套的实时监控系统，其具体组成如图1 所示。实时监控系统组成包括主控电路、信号采集、通信、开关量输出、人机交互等模块，用于实时监控井下通风机实时工作状态，采集相关工作参数数值，为通风机监控人员提供实测工作数据，并且可以根据实际工作情况远程操控通风机。

图1 实时监控系统组成

3 实时监控系统设计

3.1 硬件设计

3.1.1 主控电路模块

监控系统主控电路模块主要由微处理器、时钟电路、电源和系统调试模块组成，其中微处理器型号为STM32F103VB，具有32 位Cortex-M3 内核，具有较快的数据运算处理性能。电源模块主要功能是为系统提供+24 V、5 V 和3.3 V 电源，其中5 V 和3.3 V电源分别由24 V 电压经过LM2596S-5.0 和AMS1117 稳压芯片转换得到，以供各个电器元件使用。STM32F103VB 微处理器工作上限的时钟频率为72 MHz，其OSC_IN 输入端接收上限为25 MHz，其内部振荡电路采用支持1～16 MHz 的外部晶体，外接晶体振荡器的频率大小为8 MHz。

3.1.2 信号采集模块

传感器作为通风机监控系统数据采集的元器件，其采集得到的是物理量，不能直接被监控系统读取处理，因此该模块设计了信号调理功能，转换得出适合后续测控单元接口的信号。温度、运行参数和风压等采集数据需要调理模块的处理，将物理量转换成为系统识别的4～20 mA 的电流信号或者0～5 V 的电压信号。因主控芯片STM32F103VB 的A/D 转换参考电压为3.3V，因此需要将传感器输出信号调理为3.3V，进而满足主控芯片中A/D 采样转换的要求。

3.1.3 通信模块

监控系统中的通信模块功能是完成主控芯片与外界的信息数据交换，选择串口异步通信模式实现与上位机之间的数据传输通信，采用了通信技术较为成熟的RS485 和CAN 总线。作为最基本的通信模式，RS485 和CAN 总线均采用的是差分传输方式，具有抗干扰能力强、通信距离远、数据传输稳定可靠等优势，足以满足通风机监控系统的要求。通风机监控系统配套两种通信模式，具体接口连接如下：STM32F103VB 的USART1 和USART2 分别和CAN协议转换器和RS-485 转换器连接，将TTL 电平协议的数据分别转换成CAN 电平和RS-485 电平的通信协议。RS485 和CAN 总线均采用了差模电平通信，具有较好的抗干扰性和传输速率。

3.2 软件设计

3.2.1 主程序设计

井下通风机实时监控系统需要具有实时采集通风机运行状态参数、数据处理、实时显示和记录、远程传输等功能，基于上述功能设计的软件主程序如图2 所示，主要由数据采集、数据显示、键盘扫描和数据通讯等任务组成。系统中的数据采集任务负责完成传感器采集数据信号的A/D 转换处理；数据显示任务主要将采集得到的通风机运行参数实时值显示在液晶屏中；键盘扫描任务可以实现监控人员远程操控设置运行参数等功能；通信任务的功能是完成监控系统上位机和下位机之间的信息数据交换传输，为监控中心提供可靠的实时数据。

图2 监控系统主程序流程图

3.2.2 数据采集程序

通风机实时监控系统中的数据采集程序流程如图3 所示，其使用外接3.3 V 基准电压作为ADC 参考电压源使用，要求输入ADC 模块的电压值范围为0～3.3 V，以系统时钟的6 分频为基准设置ADC 时钟，其值为ADCCLK=72/6=12 MHz，数据采集的时长设置为71.5 周期，单通道的数据转换时间为TCONV=71.5+12.5=84 周期=7μs。开启ADC 扫描模式，即可进行模拟通道数据的转换，并且将转换结果存储和软件滤波处理。完成软件滤波处理的数据经DMA 通道进行转换数据的传输。与此同时，将ADC 转换完成的数据标志flag 设置为1，即完成数据采集工作，可以开展数据处理任务。

图3 数据处理流程

3.2.3 通信程序

借助主控芯片STM32F103VB 中的三个异步串行通信接口，实现数据的通信和传输，数据传输格式涉及1 位起始位，5～9 位数据位、1 位校验位和1～2位停止位。因上位机和下位机采用独立的时钟，要求信号接收设备和发射设备的波特率保持一致，严格同步。该系统中数据的接收采用了中断模式，波特率大小由上位机决定，暂设9 600 bit/s 和115 200 bit/s两种，满足CAN 总线和RS485 总线的使用要求，采用10 位数据帧格式，即1 个起始位、8 个数据位、1个停止位。通信双方的通信协议报文格式如下：前导码1 为FFH、前导码2 为EEH、机号为0-255、数据为16 个字节、校验码为2 个字节。由此可见，通过两个前导码形成的握手信号和CRC 校验相结合的方式，保证了上位机和下位机之间的可靠通信。

3.3 人机交互界面

人机交互界面作为通风机实时监控系统的重要组成部分，其不仅能够为监控人员实时显示井下通风机的运行状况，还能够根据运行参数变化趋势完成通风机的远程操控，如图4 给出了通风机参数监测界面。由图4 可以看出，通风机运行参数界面包括实时数据和数据曲线，其包括通风机运行时的全压、静压、动压等一系列的参数值。通风机实时监控系统的模拟量输入通道采集得到的均为标准2.5 V 的电压信号，通过A/D 转换处理之后传输至监测界面进行显示，随着时间的推移将采集得到的数据绘制成曲线图，注图中流量、全压、静压的效率与功率暂时未做数据处理。

图4 通风机参数监测界面

4 应用效果评价

为了验证通风机实时监控系统的设计效果，将其应用于某型号矿用通风机运行参数的监控中，进行了为期半年的跟踪记录。结果表明，监控系统运行稳定可靠，能够完成通风机运行状态的实时监控任务。统计结果表明，该监控系统的使用，实现了煤矿井下零瓦斯或者中毒事故的目标，减少了近22%通风机维护成本，提高了近10%的井下生产作业时间，降低了煤炭采掘成本，预计为煤炭企业新增经济效益近150 万元/年，取得了很好的应用效果。