图1 矿井局部通风机远程数字监控系统结构
Fig.1 Structure of remote digital monitoring system of mine local ventilator
经验交流
刘小满
(平顶山学院 计算机学院， 河南 平顶山 467000)
摘要：针对平煤股份一矿井下局部通风机监测系统无通信接口，地面控制站无法实时了解通风机运行状况的问题，设计了一套新型矿井局部通风机远程数字监控系统。该系统主要由地面监控站、通信控制器、通风机控制器等3个部分组成，各部分通过数据交换机接入现有的工业以太网形成独立的设备数字监控系统，实现了数据共享，从而共同完成井下局部通风机的远程监控。现场试验结果表明，该系统实现了对局部通风机和馈电开关运行状态的实时显示、控制及故障报警功能；实现了局部通风机本地控制和远程控制相结合的控制方式，达到了无人值守条件；实现了局部通风机与风速检测系统的联动，达到了节能减排效果。
关键词：局部通风机； 远程监控； 通风机控制器； 通信控制器； DSP
通风机为矿井关键设备，对井下局部通风机进行实时远程监控[1]，实时掌握通风机运行状态，排除早期安全隐患很重要。平煤股份一矿现有17处地点安装有局部通风机，每处设有主、辅通风机各1台。当前所采用的局部通风机监测系统没有通信接口[2]，地面控制站无法实时了解通风机运行状态，不能及时避免通风机机组在运行中发生故障而造成的重大安全事故。鉴此，采用先进的计算机智能控制技术[3]，利用现有工业以太网，设计了一套新型矿井局部通风机远程数字监控系统，实现了对局部通风机的远程监测和控制，使井下局部通风机的管理实现了智能化、少人化。
矿井局部通风机远程数字监控系统主要由地面监控站、通信控制器、通风机控制器等3个部分组成，通过数据交换机将各部分接入现有的工业以太网，形成独立的设备数字监控系统，使得各部分互联互通，实现了数据共享，共同完成井下局部通风机远程监控。系统结构如图1所示。
图1 矿井局部通风机远程数字监控系统结构
Fig.1 Structure of remote digital monitoring system of mine local ventilator
地面监控站采用电力监控系统服务器[4]，设置2台专用的上位机，互为备用，安装通风机专用监控软件，对井下通风机的运行数据、曲线、事件信息、操作记录、故障报警进行实时监测，实现设备运行状态远程监视；设置了权限保护功能，可对井下通风机的运行和试验进行远程操作控制，地面监控站只需配备以太网交换机、工控计算机、UPS电源、打印机等设备即可获取井下数据；井下主、辅通风机设置有通风机控制器，用于采集通风机运行参数，智能调节通风机运行状态；为了能够远程控制局部通风机，系统设置了通信控制器，以串行通信方式与馈电开关、通风机控制器通信，将馈电开关的电参数、通风机运行状态等数据通过通信接口及以太网络传输到地面监控站，完成地面监控站、馈电开关及通风机控制器的远程交互通信功能，从而实现了对通风机系统状态的实时监测和远程智能控制。
矿井局部通风机远程数字监控系统可实现本地控制和远程控制之间的自由切换，自动控制通风机的启停、正反运转及故障自动切换；实时监测通风机运行状态，自动采集通风机运行的各种状态参数，出现异常时，启动报警和故障保护功能，避免了原先人工监测数据可能存在的疏漏；建立了友好的人机界面，实施了不同安全等级操作区域系统的密码保护，杜绝了非专业人员的误操作，实现了通风机本地控制和远程控制相结合的现代化控制方式；通风机与风速检测可实现联动，可以根据实时测量的风速动态调整通风机的工作状态，实现了节能减排的目标；系统带有冗余设计，既可以利用上位机进行集中控制，还可以手动控制。
智能通风机控制器是针对目前煤矿井下双通风机、双电源四回路不间断通风的安全生产要求设计的[5]。智能通风机控制器包括主机控制器和辅助控制器2个部分[6]。智能通风机控制器是以高性能单片机和DSP为核心进行设计的，可以用于采集和分析通风机运行状态参数、计算与控制通风机运行状态，同时可避免通风机过载、短路、断相、无电流及漏电闭锁等故障；主、辅控制器配备在主、辅通风机上，当主机控制器出现故障或停电停机时，辅助控制器会自动投入，从而实现主、辅状态相互切换，并确保在主机控制器维修时不影响辅助控制器运行。主、辅控制器之间通过光电隔离传输方式相互通信，并且各自对外部提供一路通信接口，以串行通信的方式与通信控制器通信，通过工业以太网与地面监控站通信，实现对井下通风机的远程监控。该控制器具有可靠性高、操作维护简单、状态指示清晰、试验功能齐全等优点。
2.1 硬件设计
智能通风机控制器主要由中央处理单元、开关量输入、输出单元、交流采样单元及人机交互接口单元等模块构成，如图2所示。控制器以高性能DSP芯片TMS320F2812作为主CPU[7]，以完成采集和计算模拟量、保护判断与开关量的输入和输出等任务。为了满足智能通风机控制器的高实时性及功能配置较高要求，另需配置一块单片机来避免主CPU的工作延迟，为此增加单片机(P89C61X2)作为从CPU，主要负责人机交互、界面显示及上位机通信等功能。TMS320F2812和P89C61X2组成双CPU结构，并行工作、分工合作，有效地满足了系统保护速动性、可靠性及实测精度高的要求。
图2 智能通风机控制器组成
Fig.2 The composition of intelligent ventilator controller
2.2 软件设计
智能通风机控制器软件由主程序和中断处理程序2个部分组成，主程序流程如图3所示。主程序包括2段程序：第1段为系统初始化，主要完成CPU各模块、整定定值及通风机控制器参数的初始化工作；第2段为主循环程序，采用查询的方式实现系统有无故障、电度变化及串口通信与否等逻辑处理功能。
图3 智能通风机控制器主程序流程
Fig.3 The main program flow chart of intelligent ventilator controller
智能通信控制器包括一系列功能各异的保护测控装置，模块清晰、组态灵活、升级方便。智能通信控制器基于先进的网络化通信技术，内部采用CAN BUS总线通信[8]，外部与上位机、下游接入设备采用以太网或串口通信[9]，具有分层分布式、开放结构，可以接入不同类型的保护测控装置和智能设备，可以对矿井不同设备的运行状态进行监测和监控。该控制器以串行通信方式与馈电开关、通风机控制器通信，实现地面工作站、通风机控制器、馈电开关的远程交互功能。
3.1 硬件设计
智能通信控制器组成如图4所示。智能通信控制器采用32位单片机TMS320F2812作为主CPU，扩展了一片Flash存储二级字库，用于液晶显示；一片SRAM作为通信缓冲区。为实现以太网通信功能，设计了硬件TCP/IP协议芯片W3100A，并通过以太网接口转换芯片DM9161与隔离变压器H1102生成一路以太网接口，采用RJ-45接口通信[10-11]。利用CPU内部集成的eCAN模块设计了一路CAN通信接口，支持标准CAN2.0B通信协议[12]。CAN通信接口用高速光耦6N137进行隔离，提高了装置的抗干扰能力，使用接口电路芯片82C250外接CAN通信装置[13]。CPU内部集成的2路SCI模块经光耦隔离后产生2路RS485/232信号，可以根据需求通过跳线实现RS485与RS232通信。为了提高设备的适应性，扩展2片TL16554，每片TL16554可以扩展4路串行通信接口，经光耦隔离后输出。设计的E2PROM可以存储设备通信地址、波特率等通信参数。利用DS1302产生设备内部时钟信号，当设备失电时依然可以显示正确的时间。
图4 智能通信控制器组成
Fig.4 The composition of intelligent communication controller
3.2 软件设计
智能通信控制器软件设计包括主程序和中断处理程序2个部分[6,14]，其中主程序包括初始化和主循环2段程序，主程序流程如图5所示。在初始化段，对所有上电或复位后有需要的功能模块进行初始化设置。主循环程序实现通信装置与地面监控软件及馈电开关与通风机控制器的通信功能。
图5 智能通信控制器主程序流程
Fig.5 The main program flow chart of intelligent communication controller
为验证矿井局部通风机远程数字监控系统的各项功能并确保系统运行的稳定性及可靠性，选择平煤股份一矿井下巷道的1号局部通风机、2号局部通风机开展为期5个月的现场试验。1号局部通风机运行状态显示与控制界面如图6所示。界面中显示了1号局部通风机的主、辅通风机及主、辅馈电开关(馈电开关1、2)的相关参数。当系统中设备出现故障时，智能通信控制器将设备故障状态上传到上位机，上位机在数据库存储故障状态并发出和显示报警信息。系统通过通信控制器与通风机风速检测系统通信，获得风速实时数据，并根据风速实时数据进行智能判断，当风速大于设定风速时，控制对旋通风机启动，减小负荷，以达到节能效果；当风速小于设定风速时，启动2个对旋通风机，加大风速，加强井下安全。
图6 1号局部通风机运行状态与控制界面
Fig.6 Interface of running state and control of No.1 local ventilator
通过试验表明，系统实现了对局部通风机、馈电开关运行状态的实时显示、控制及故障报警功能且性能稳定、可靠；实现了通风机本地控制和远程控制，达到了无人值守条件；实现了通风机与风速检测系统的联动，达到了节能减排的效果。
新型矿井局部通风机远程数字监控系统实现了局部通风机运行状态的实时监测和远程智能控制功能。现场试验结果表明，系统运行稳定可靠，有效提高了煤矿生产效率和安全性，实现了井下通风机工作的智能化和少人化。
参考文献(References)：
[1] 姚昕.基于PLC的矿井局部通风机瓦斯浓度智能控制系统研究[D].西安：西安科技大学，2014.
[2] 闵磊.基于PLC和组态软件的局部通风机监控系统的研究[D].淮南：安徽理工大学，2012.
[3] 王春，许雯娜，廖映华.矿井通风机远程监控系统设计[J].工矿自动化，2015，41(12)：58-61.
WANG Chun，XU Wenna，LIAO Yinghua. Design of remote monitoring system of mine ventilator[J]. Industry and Mine Automation，2015，41(12)：58-61.
[4] 陈建.计算机远程综合监控系统在煤矿中的应用[J].数字技术与应用,2015(12):3-4.
CHEN Jian. Application of computer remote monitoring system in coal mine[J]. Digital Technology and Application, 2015(12):3-4.
[5] 霍英杰.局部通风机智能控制系统的设计[J].数字技术与应用，2013(7)：1-2.
HUO Yingjie. Design of intelligent control system of local ventilator[J]. Digital Technology and Application，2013(7)：1-2.
[6] 刘小满，赵万里.井下局部通风机智能控制装置的设计[J].煤炭工程，2016，48(7)：25-27.
LIU Xiaoman，ZHAO Wanli. Design of intelligent control device for mine local fan[J]. Coal Engineering，2016，48(7)：25-27.
[7] 孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京：清华大学出版社，2008.
[8] 肖洪祥，匡晚成，雷亚平.基于CAN总线的煤矿远程监控系统[J].微计算机信息，2008，24(23)：73-74.
XIAO Hongxiang，KUANG Wancheng，LEI Yaping. A remote monitoring system under coal mine based on CAN bus[J]. Microcomputer Information，2008，24(23)：73-74.
[9] 于水娟.基于两级网络的煤矿通风机监控系统的研究[D].淮南：安徽理工大学，2007.
[10] 韩松.基于Modbus/TCP协议的工业以太网通信适配器的设计与研究[D].天津：河北工业大学，2013.
[11] 孙英良.基于以太网接口的数据记录仪的设计[D].太原：中北大学，2011.
[12] 王计波.面向智能断路器的多协议通信技术研究[D].天津：河北工业大学，2013.
[13] 姚丹丹.构件化可裁剪嵌入式工控板SD-K60的设计与应用——基于ARM Cortex-M4 Kinetis系列微控制器[D].苏州：苏州大学，2012.
[14] 万仁保，张永选.基于PLC自动风门的程序设计[J].制造业自动化，2012，34(8):139-141.
WAN Renbao，ZHANG Yongxuan. Program design of automatic air door based on the PLC[J]. Manufacturing Automation，2012，34(16)：139-141.
Design of remote digital monitoring system of mine local ventilator
LIU Xiaoman
(School of Computing， Pingdinshan University, Pingdingshan 467000, China)
Abstract：In view of problems that mine local ventilator monitoring system has not communication interface used in No.1 Coal Mine of Pingdingshan Coal Group Co. Ltd., and ground control station can't understand running state of ventilator in real-time, a set of remote digital monitoring system of mine local ventilator was designed. The system is mainly composed of ground monitor station, communication controller, ventilator controller, each part was accessed to the industrial Ethernet to form independent digital monitoring system through data switching exchange, so as to realize data sharing and jointly complete the remote monitoring of underground local ventilator. The field test results show that the system implements functions of real-time display, control and fault alarm of running status of local ventilator and feeder switch; implements combination of local control,remote control of the local ventilator and achieves unattended condition; implements linkage of the local ventilator and the air speed detection system, so as to achieve the effect of energy conservation and emissions reduction.
Key words：local ventilator; remote monitoring; ventilator controller; communication controller; DSP
文章编号：1671-251X(2017)07-0077-05
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.07.016
收稿日期：2017-01-17；
修回日期：2017-04-26；责任编辑：张强。
基金项目：国家自然科学基金项目(61503206)；中国平煤神马集团基金项目(41040220142224)。
作者简介：刘小满(1987-)，女，河南邓州人，助教，硕士，主要从事计算机智能化控制与信息处理方面的研究工作，E-mail：lxiaoman@126.com。
引用格式：刘小满.矿井局部通风机远程数字监控系统设计[J].工矿自动化，2017,43(7)：77-81. LIU Xiaoman.Design of remote digital monitoring system of mine local ventilator[J].Industry and Mine Automation，2017,43(7)：77-81.
中图分类号：TD635
文献标志码：A 网络出版时间：2017-06-27 17:09
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170627.1709.016.html