基于嵌入式系统的煤矿主通风机在线监测系统的设计

2018-03-16宋清贵

机械管理开发 2018年2期

宋清贵

（阳泉市南庄煤炭集团有限责任公司，山西　阳泉　045000）

1　嵌入式系统概述

嵌入式系统就是指以现代计算机技术为理论基础的一种新型计算机软件应用系统，其最大特征是系统中的软硬件可进行裁剪，可实现一定程度的自由搭配与灵活使用。该系统对于系统的各项功能表现、整体系统运行过程中的稳定性、系统开发与配置的成本、系统软硬件的体积、运行过程中的功耗等都有着比较严格的要求。该系统的应用原理是通过在计算机软件设计开发中运用实时处理技术，在计算机系统中建立实时CORBA模型。这一模型能够有效处理计算机系统中软件与硬件的关系，在计算机软件系统的运用过程中实现更加丰富的设计活动与设计模块[1]。

2　主通风机在线监测系统的功能需求

2.1　设备智能管理功能

第一，标准化硬件自动识别功能，通过对于硬件系统相关设备参数的统一识别，来帮助操作人员更好的管理系统。第二，底层软件加载功能，通过将硬件系统的应用软件加载入数据库中，在系统运行工作中，将需要使用的软件从数据库中及时提取出来从而满足设备运转需要。第三，设备参数自动配置功能通过完成对于设备信息以及控制系统的链接，从而实现对于硬件系统功能的整体控制。

2.2　故障状态在线监测功能

由于在实际情况中煤矿主通风机内部零件的数量比较多，同时设备运行的工作环境比较复杂。一旦设备出现问题，维修工作的难度就比较高。因此，在煤矿主通风机的运行过程中需要进行实时监控，这是对主通风机在线监测系统的基本功能要求。

3　主通风机在线监测系统的硬件设计

3.1　底层信号采集部分

在对煤矿主通风机的实时监测中，首先需要对相关重要参数进行必要的收集，包括主通风机工作温度、电动机内的电压状况、主通风机的振动情况以及风道内的气压气流状况等，这些参数是影响煤矿主通风机工作运行的重要因素，因此主通风机在线监测系统首先要做好底层信号采集部分的设计。底层信号采集部分主要收集存储的是两种数据，一种是关系类数据，主要是主通风机的驱动代码、故障代码、系统配置参数等设备与系统的基本参数；另一种是具体的硬件设备在实际情况的运行过程中所产生的各种运行数据。底层信号采集部分对于各种设备运行数据的收集与处理工作是整体软件系统运行工作的重要基础，是各项自动化控制指令的判断依据，因此在底层信号采集部分的建设过程中必须重视起数据的准确性与及时性。目前，煤矿主通风机设计中，常见的是两台风机是其中一台主通风机工作，另一台备用的形式，而风机上配有两台电动机，分为一级和二级。因此，在底层信号采集部分需要设置的数据采集设备主要有：电动机上的轴承2路、定子3路需要采集温度情况；电动机电压电流运行状况3路；通风机轴承与机壳位置上安装振动传感器；风道安装4路气压气流监测设备四种内容。具体结构如下页图1所示。此外在底层信号采集过程中，还需注意相关数据的传输处理。在嵌入式系统的数据传输中，主要有单片机与S3C2440数据传输两种。在实际工作环境中，由于嵌入式系统所收集的相关数据往往集中于煤矿主通风机设备的周围，因此可以使用RS485总线来进行以上两种数据传输设备信号传递过程的连接。需要注意的是，在使用RS485总线的过程中，需要在末端设置两个电阻，从而对通信线路进行阻抗匹配。

3.2　变频调节系统总体结构

图1　底层信号采集部分结构

在目前常见的煤矿主通风机工作中，采用设置两台风机，其中一台工作，另一台备用的情况。而在通风机的两级电机中，需要配备变频器加以控制，从而保证两台电机在工作过程中能够保证同时启动同时停止，在转速方面也要保证相同。这里以瑞士ABB公司生产的变频器为例，其主要部件构成情况如下：一是主电路部分，主要包括整流桥、IGBT、单管IGBT和制动电阻、大功率制动单元外置、限流电阻和接触器、电解电容以及均压电阻。二是控制回路部分，主要包括MCU（单片机)、DSP(或两个MCU)。三是结构件部分，主要包括散热器、温度传感器、风扇[2]。

4　主通风机在线监测系统的软件设计

在基于嵌入式系统的主通风机在线监测系统软件设计中，主要采用“宿主机/目标机”的开发模式。在位于中央控制室的总控制计算机上进行控制程序的编程，再将这些控制命令传输到设备的嵌入式系统上，在控制软件的系统设计中，主要有以下内容：一是BootLoader移植，主要起到初始化硬件设备，为控制系统的其他程序留出必要的内存空间。二是建立Linux操作系统，先将操作系统的内核进行必要的裁剪与重新编写，保证Linux系统能够与硬件相适应，然后通过数据传输将Linux系统内核文件存储硬件上。这一步骤是整体软件系统的核心，在中间件中主要起着处理各项信息以及命令的功能，通过消除设备硬件与操作控制平台的软件差异，保证设备硬件能够与操作系统实现兼容，从而为操作人员的控制命令提供一个更加方便、稳定的控制系统。三是进行文件管理系统的编写，对在线监测系统工作运行过程中产生的数据文件进行一定的加工与存储处理，为文件建立正确的存储位置。此外，在嵌入式在线监测系统中，还需做好网络数据的传输。在这一系统中嵌入式Web服务器一般被设计为“瘦服务器”，通过HTTP以及CGI技术来向中央控制计算机来进行数据传输，中央控制机通过HTTP来向嵌入式服务器发送命令，然后服务器再将这些命令传输到各系统部位，而系统各部位接收命令后进行处理工作，将信息再传递回中央控制器完成信息的交互，具体原理如图2所示。