智能風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

李 充，王健飛，趙 振

（空軍裝備部駐長春地區(qū)軍事代表室，長春 130102）

0 引言

通風(fēng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于礦井、礦山、隧道等場(chǎng)所，是這些場(chǎng)所環(huán)境保障非常重要的一個(gè)組成部分?，F(xiàn)階段有很多通風(fēng)系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，安裝及維修困難，所以采用無人值守的智能風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)是大勢(shì)所趨。現(xiàn)有的智能風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)控制策略及控制邏輯基本都是在工業(yè)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的[1-4]，通常有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及控制層、中央管理層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層等。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)計(jì)算能力強(qiáng)，控制策略可實(shí)現(xiàn)多樣化，拓展能力強(qiáng)，一套系統(tǒng)可控制多臺(tái)執(zhí)行單元。缺點(diǎn)是成本比較高，用為計(jì)算機(jī)自身原因，系統(tǒng)可靠性一般不是很高[5]。

現(xiàn)在使用的基于嵌入式控制系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，主要是基于PLM控制器進(jìn)行開發(fā)的[6-7]，少部分是利用DSP及ARM等單片機(jī)[8-9]進(jìn)行開發(fā)的。嵌入式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)可靠性較高，成本相對(duì)較低，缺點(diǎn)是開發(fā)的難度較大，且因?yàn)橄到y(tǒng)資源的限制，計(jì)算速度較低，控制的智能化不高，系統(tǒng)的可拓展性差。

本文根據(jù)遠(yuǎn)程、智能、高可靠性控制的需求特點(diǎn)，同時(shí)需要滿足調(diào)試方便、每臺(tái)風(fēng)機(jī)能夠正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的功能，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性需求，提出了一種本地控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程終端指令控制相結(jié)合的控制方法。遠(yuǎn)程終端選用帶有網(wǎng)口的通用計(jì)算機(jī)或智能終端即可，本地控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基于DSP+FPGA架構(gòu)的嵌入式風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，DSP選用具有浮點(diǎn)計(jì)算功能的芯片。利用浮點(diǎn)DSP的強(qiáng)大計(jì)算能力和FPGA的可塑性，增強(qiáng)該嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可拓展性，提高了系統(tǒng)的智能化水平。

1 系統(tǒng)組成

智能風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)由本地控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程終端組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 智能風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)選用在原有的計(jì)算機(jī)上開一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行遠(yuǎn)程終端功能。遠(yuǎn)程終端只需具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能且能夠按照通訊協(xié)議收發(fā)信息即可，此類設(shè)備為通用設(shè)備，在本文中不再贅述。

本地控制系統(tǒng)主要由面板、電子電路及電氣電路3部分組成，如圖2所示。

圖2 本地控制系統(tǒng)組成

其中面板上的狀態(tài)開關(guān)用于手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、遙控控制這3種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。電子電路主要由控制電路板、溫濕度傳感器等組成，控制電路板用于采集溫濕度傳感器、狀態(tài)開關(guān)、風(fēng)機(jī)開關(guān)、電流互感器等信息，接收主、輔通訊口的控制命令，根據(jù)這些信息及預(yù)設(shè)的控制邏輯控制接觸器，從而達(dá)到控制風(fēng)機(jī)的目的，并把采集到的環(huán)境信息及風(fēng)機(jī)運(yùn)行信息通過主、輔通訊口外發(fā)給遠(yuǎn)程終端。電氣電路用于弱電信號(hào)和強(qiáng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，主要由電源開關(guān)、過流保護(hù)器、接觸器、電流互感器等電氣元器件組成，用于執(zhí)行風(fēng)機(jī)的開關(guān)、測(cè)量風(fēng)機(jī)的工作電流及對(duì)風(fēng)機(jī)的保護(hù)等。

2 系統(tǒng)功能及工作原理

本地控制系統(tǒng)能夠控制4臺(tái)風(fēng)機(jī)工作，正常工作時(shí)2臺(tái)風(fēng)機(jī)為一組，一臺(tái)用于進(jìn)風(fēng)，一臺(tái)用于出風(fēng)，利用2組風(fēng)機(jī)通風(fēng)對(duì)工作場(chǎng)所進(jìn)行降溫。本地控制系統(tǒng)具有電源缺項(xiàng)保護(hù)功能、過流保護(hù)功能和風(fēng)機(jī)過熱保護(hù)功能等保護(hù)功能。本地控制系統(tǒng)有3種工作模式，手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和遙控控制，這3種工作模式可以通過面板的控制開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

手動(dòng)控制模式主要用于設(shè)備調(diào)試及異常狀況下的應(yīng)急使用，在此模式下每臺(tái)風(fēng)機(jī)都只能由面板上的對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)開關(guān)控制，控制該風(fēng)機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)、停止。

自動(dòng)控制模式是根據(jù)溫度信息控制2組風(fēng)機(jī)的工作和停止，設(shè)置有2檔溫度閾值。當(dāng)溫度上升到第一檔溫度閾值時(shí)，啟動(dòng)一組風(fēng)機(jī)工作，當(dāng)溫度上升到第二溫度閾值時(shí)2組風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)工作。為了設(shè)備的可靠性及壽命，當(dāng)需要啟動(dòng)一組風(fēng)機(jī)時(shí)，風(fēng)機(jī)組的選擇根據(jù)累計(jì)工作時(shí)間自動(dòng)切換，能夠使兩組風(fēng)機(jī)的累計(jì)工作時(shí)間基本一致，延長設(shè)備壽命。

遙控控制模式是根據(jù)接收到的控制指令對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制，主要用于遠(yuǎn)程人工干預(yù)控制或遠(yuǎn)程二次開發(fā)控制?？梢愿鶕?jù)新的需求，開發(fā)新的控制邏輯。

3 本地控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本地控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有電子學(xué)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？紤]到抗腐蝕性及電磁兼容性等要求，本地控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一個(gè)密閉的不銹鋼箱體，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行更改，在此處不多做贅述。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

電子學(xué)硬件設(shè)計(jì)主要有3部分，面板設(shè)計(jì)、控制電路板設(shè)計(jì)、電氣電路設(shè)計(jì)。

面板主要具有狀態(tài)選擇功能、手動(dòng)控制時(shí)手動(dòng)控制開關(guān)、狀態(tài)顯示功能等。面板部分有一個(gè)三狀態(tài)開關(guān)用于工作模式選擇。有4個(gè)風(fēng)機(jī)開關(guān)，每個(gè)開關(guān)用于對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)的手動(dòng)控制。一個(gè)電源指示燈，3個(gè)工作模式指示燈，4個(gè)工作狀態(tài)指示燈和4個(gè)故障指示燈，及對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)等組成。

控制電路板采用DSP+FPGA架構(gòu)，結(jié)合DSP的計(jì)算處理優(yōu)勢(shì)及FPGA可編程外設(shè)接口優(yōu)勢(shì)。因?yàn)橄到y(tǒng)高可靠性的需求，控制電路板除CPU和FPGA以外，都采用熱備份。控制電路板根據(jù)所需具有的電源缺項(xiàng)檢測(cè)功能、溫濕度測(cè)量功能、對(duì)外通訊功能、接收面板狀態(tài)信息功能、給面板發(fā)送控制信息功能、接收電氣電路的信息和給電氣電路發(fā)送控制命令功能等功能需求?？刂齐娐钒宓慕Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制電路板結(jié)構(gòu)

其中，缺項(xiàng)檢測(cè)采用3個(gè)AC/DC模塊LD12-20B12把三項(xiàng)四線電源轉(zhuǎn)換成三路直流信號(hào)，通過檢測(cè)這三路直流信號(hào)完成電源缺項(xiàng)檢測(cè)功能。因?yàn)橄到y(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算量不大，DSP和FPGA的選用沒有特殊要求，本系統(tǒng)選用應(yīng)用成熟的DSPVC33和EP1C12Q240I7，其他器件都為嵌入式電路常用器件，根據(jù)需求選取即可，在此不再贅述。

電氣電路主要用于弱電與強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換，利用TTL電平控制380 V動(dòng)力電，檢測(cè)380 V輸出電流，并具有過流保護(hù)功能。主要由接觸器、電流互感器、空開組成。由接觸器完成TTL電平控制380 V動(dòng)力電，由電流互感器完成380 V輸出電流檢測(cè)并輸出模擬信號(hào)，當(dāng)輸出電流過大，空開會(huì)自動(dòng)斷開實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

本地控制系統(tǒng)的控制邏輯實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理計(jì)算等工作都是在DSP內(nèi)部完成，所以軟件設(shè)計(jì)主要介紹DSP軟件程序設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA的程序設(shè)計(jì)主要是用于實(shí)現(xiàn)外設(shè)接口，在此不做介紹。

DSP軟件根據(jù)功能可分為初始化模塊、中斷模塊、工作狀態(tài)識(shí)別模塊、傳感器模塊、警報(bào)模塊、通訊模塊、控制模塊7個(gè)功能模塊。

（1）初始化模塊用于對(duì)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的變量、輸出量、寄存器進(jìn)行初始化，并將初始化信息傳送至控制模塊。初始化后能使系統(tǒng)中的相關(guān)變量處于固定的已知狀態(tài)，避免因某個(gè)變量的不確定狀態(tài)引起程序運(yùn)行過程中BUG。

（2）中斷模塊利用定時(shí)中斷循環(huán)執(zhí)行控制系統(tǒng)的相關(guān)邏輯，除初始化外，所有的功能模塊都在中斷內(nèi)執(zhí)行。首先進(jìn)行風(fēng)機(jī)的電源的缺相信息判斷，并將缺相信息傳送至控制模塊。

（3）工作狀態(tài)識(shí)別模塊用于識(shí)別工作模式，工作模式有手動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制模式，遙控控制模式，并將風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息傳送至控制模塊。

（4）傳感器模塊用于采集風(fēng)機(jī)工作的電流值、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)的工作環(huán)境溫度值和風(fēng)機(jī)的工作溫度值，并分別傳送至控制模塊。

（5）報(bào)警模塊用于根據(jù)輸出控制信號(hào)、傳感器測(cè)量值等信息及它們之間的相互邏輯關(guān)系判斷出當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并輸出狀態(tài)信息給控制模塊[10-13]。

（6）通訊模塊用于把需要輸出的信息按照通訊協(xié)議編譯后輸出，把接受的指令信息按照通訊協(xié)議釋義出后發(fā)送給控制模塊。

（7）控制模塊用于實(shí)現(xiàn)初始化模塊、中斷模塊、工作狀態(tài)識(shí)別模塊、傳感器模塊、通訊模塊之間的數(shù)據(jù)交互，并根據(jù)溫度值、電流值、通訊模塊信息、狀態(tài)信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，控制信號(hào)控制至風(fēng)機(jī)工作在相應(yīng)的工作模式或向報(bào)警模塊發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

軟件的程序流程如圖4所示。根據(jù)自動(dòng)化及可靠性的需求，當(dāng)工作在遙控模式時(shí)，如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒有接收到有效的控制指令時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入自動(dòng)控制模式。因此即使通訊鏈路故障也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，相較于在工業(yè)計(jì)算機(jī)上開發(fā)的控制系統(tǒng)極大的提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖4 中斷程序流程

4 應(yīng)用效果分析

將以上設(shè)計(jì)研究的智能風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用到某通風(fēng)場(chǎng)合，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了詳細(xì)分析。

智能風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中本地控制系統(tǒng)是自研開發(fā)的嵌入式控制系統(tǒng)，由于在一些環(huán)境條件下計(jì)算機(jī)是無法正常工作的，相較于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，本地控制系統(tǒng)可以應(yīng)用的環(huán)境范圍更廣。同時(shí)本地控制系統(tǒng)可以采用不同等級(jí)的器件找到環(huán)境適應(yīng)性與成本的平衡點(diǎn)，達(dá)到效益最大化。

智能風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高可靠性。因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)運(yùn)行長時(shí)間后，系統(tǒng)運(yùn)行速度會(huì)變慢，并且出故障幾率會(huì)增大。嵌入式系統(tǒng)的軟件規(guī)模非常小，邏輯嚴(yán)密，運(yùn)行功能性能不會(huì)隨著時(shí)間改變，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。智能風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)樣機(jī)交付客戶后，至今已運(yùn)行17個(gè)月，沒有發(fā)生故障。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)遠(yuǎn)程、智能、高可靠性的風(fēng)機(jī)控制需求，及其他功能性能需求，根據(jù)工程實(shí)際情況，提出本地控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程終端指令控制相結(jié)合的控制模式。

利用該控制模式研制本地控制系統(tǒng)一套。相較于現(xiàn)有嵌入式風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要有以下3點(diǎn)區(qū)別：（1）本系統(tǒng)有3種控制模式，分別為手動(dòng)控制模式、自動(dòng)控制模式和遙控控制模式，調(diào)試方便、控制方式豐富；（2）本地控制系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性及成本之間得平衡關(guān)系，可以通過選取不同等級(jí)的器件得到優(yōu)化，提高產(chǎn)品性價(jià)比；（3）本地控制系統(tǒng)增加了風(fēng)機(jī)的反轉(zhuǎn)功能，在一些特殊的場(chǎng)合，該功能非常重要，拓展了系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

最后通過樣機(jī)無故障運(yùn)行17個(gè)月，驗(yàn)證了智能風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程、智能、高可靠性。在接口可拓展性和帶載能力的可拓展性及智能化方面可以繼續(xù)開展這幾方面的研究。