礦井掘進(jìn)面智能通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對礦井局部通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定控制、安全有效地排放瓦斯、瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測等目標(biāo)，本文結(jié)合單片機(jī)、CAN總線等技術(shù)設(shè)計(jì)了一種礦井掘進(jìn)面智能通風(fēng)控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)構(gòu)成、參數(shù)采集方案與智能控制策略。試驗(yàn)表明，本系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，顯著提高了礦井通風(fēng)控制的智能化，大大降低了生產(chǎn)中的安全隱患。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)；智能控制；STM32F103；瓦斯監(jiān)測；CAN總線

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2011.08.008

瓦斯是困擾煤礦安全高效生產(chǎn)的主要問題之一，煤礦事故70％以上是由于通風(fēng)設(shè)備故障、通風(fēng)管理不善造成的。對掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定控制則是解決此問題的關(guān)鍵。

智能控制系統(tǒng)的功能分析

根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)面巷道工況的需求和《煤礦安全規(guī)程》對局扇“三專兩閉鎖”方式的使用要求、并借鑒國內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，智能通風(fēng)控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能。

(1)安全排放瓦斯

在瓦斯的排放過程中為了不污染瓦斯未積聚區(qū)域，瓦斯排放要求在監(jiān)控瓦斯?jié)舛鹊臈l件下緩慢地進(jìn)行。本智能通風(fēng)控制系統(tǒng)的首要功能是根據(jù)不同的瓦斯?jié)舛确植记闆r，選擇合理的瓦斯排放措施，達(dá)到安全有效地排放瓦斯的目標(biāo)。

(2)雙機(jī)準(zhǔn)熱備控制模式

實(shí)現(xiàn)兩雙兩自動(dòng)，即在掘進(jìn)巷道中一個(gè)掘進(jìn)工作面必須設(shè)置兩臺(tái)同型號(hào)同功率的局扇，一臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，另一臺(tái)可靠備用。當(dāng)一臺(tái)局扇因線路停電或出現(xiàn)故障等原因停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，使另一臺(tái)局扇能夠自動(dòng)起車，自動(dòng)換風(fēng)，以保證供風(fēng)的連續(xù)性，以確保煤礦的安全生產(chǎn)。

(3)掘進(jìn)面風(fēng)機(jī)故障處理

智能通風(fēng)控制系統(tǒng)應(yīng)在不影響負(fù)載運(yùn)行的情況下檢修風(fēng)機(jī)開關(guān)的控制系統(tǒng)，并且要求檢修側(cè)完全斷電，真正做到不停風(fēng)檢修，保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，從根本上杜絕帶電檢修的危險(xiǎn)性。

(4)掘進(jìn)巷道瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)監(jiān)測

掘進(jìn)面巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛刃畔ⅲ侵悄芸刂葡到y(tǒng)的一個(gè)重要控制依據(jù)，因此準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的監(jiān)測瓦斯?jié)舛仁潜鞠到y(tǒng)的又一個(gè)重要功能。

(5)節(jié)能

在實(shí)際使用時(shí)，通風(fēng)機(jī)功率一般都偏大，造成電能的巨大浪費(fèi)。智能通風(fēng)控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)不同的巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛惹闆r，進(jìn)行風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)起到節(jié)能的作用。

智能控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

掘進(jìn)面智能通風(fēng)控制系統(tǒng)由以下三部分組成：井下局扇電磁啟動(dòng)器、瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)和地面集控中心。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

掘進(jìn)面智能通風(fēng)控制系統(tǒng)具有中文人機(jī)界面顯示、變頻調(diào)速、雙機(jī)準(zhǔn)熱備控制模式、風(fēng)量的閉環(huán)控制、靈活的參數(shù)設(shè)定方式、完善的報(bào)警提示以及故障診斷功能，同時(shí)提供設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息。

局扃電磁啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)

目前，公知的煤礦掘進(jìn)工作面對風(fēng)機(jī)控制通常采用兩臺(tái)真空隔爆型電磁起動(dòng)器帶動(dòng)兩部風(fēng)機(jī)，其占地面積大，系統(tǒng)接線復(fù)雜，系統(tǒng)事故點(diǎn)多，不易維修。

本系統(tǒng)中新型礦用隔爆四回略智能電磁啟動(dòng)器以STM32F103ZET6單片機(jī)為中央控制器，檢測電機(jī)過載、斷相、短路、漏電等故障。用戶可以通過一個(gè)液晶顯示模塊對電磁啟動(dòng)器的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，電磁啟動(dòng)器的各種工作狀態(tài)和故障信息通過這個(gè)液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。單片機(jī)對外部的各種情況進(jìn)行判斷，并根據(jù)用戶所設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)對四臺(tái)軸流對旋風(fēng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。STM32系列基于Cortex-M3內(nèi)核，專門設(shè)計(jì)以滿足集成度高、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用并具有競爭價(jià)格，STM32F103ZET6是STM32F103系列32位單片機(jī)資源配置最為豐富的一員。

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

新型礦用隔爆四回路智能電磁啟動(dòng)器的硬件系統(tǒng)由主電路和控制電路組成，主電路由隔離換向開關(guān)、真空接觸器連接而成，控制電路以單片機(jī)為核心，主要包括電源供給單元、信號(hào)形成采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元、中央處理單元、人機(jī)交互單元、通訊單元和語音報(bào)警單元等。以繼電器為輸出負(fù)載，輸入信號(hào)為按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)和過載、漏電、斷相、過流故障信號(hào)。所有電路均安裝布置在一個(gè)封閉的隔爆金屬腔體內(nèi)部，操作按鈕和轉(zhuǎn)換開關(guān)在腔體外部可以操作。控制電路框圖如圖2所示。

控制軟件

局扇自動(dòng)切換控制可實(shí)現(xiàn)程控全自動(dòng)控制程序。主機(jī)設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)行后：如果主機(jī)設(shè)備發(fā)生故障，系統(tǒng)停止主機(jī)設(shè)備的運(yùn)行：經(jīng)過設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，自動(dòng)啟動(dòng)備機(jī)設(shè)備：如果主機(jī)設(shè)備掉電，當(dāng)?shù)綦姇r(shí)間小于25重新上電，系統(tǒng)維持主機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)?shù)綦姇r(shí)間大于25則停止主機(jī)設(shè)備的運(yùn)行，系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，自動(dòng)啟動(dòng)備機(jī)設(shè)備。程控全自動(dòng)動(dòng)作流程圖如圖3所示。

瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)融合算法

基于CAN總線的數(shù)據(jù)融合多傳感器瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)采用多傳感器數(shù)據(jù)自適應(yīng)加權(quán)融合估計(jì)算法，在不知道任何傳感器測量數(shù)據(jù)先驗(yàn)知識(shí)的條件下，可以從含有觀測噪聲的測量數(shù)據(jù)中得到被測量的最小均方誤差估計(jì)值。該方法不但充分利用了傳感器的測量數(shù)據(jù)，還將傳感器的均方誤差、測量精度等信息融合處理，快速、準(zhǔn)確地估計(jì)出真值，提高了測量精度，擴(kuò)大了觀測范圍。該估計(jì)算法可以大幅度提高瓦斯?jié)舛葴y量的可信度。

設(shè)有一個(gè)多傳感器檢測系統(tǒng)。其中N個(gè)傳感器對某一被測對象進(jìn)行采樣檢測，數(shù)據(jù)融合估計(jì)模型如圖4所不。

多傳感器數(shù)據(jù)自適應(yīng)加權(quán)融合估計(jì)算法會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)的精度參數(shù)確定對所處理的不等精度數(shù)據(jù)，在已知各數(shù)據(jù)的精度參數(shù)時(shí)，為了確定各數(shù)據(jù)應(yīng)得的權(quán)數(shù)，可把這些不等精度數(shù)據(jù)看成相當(dāng)于在等精度測量條件下，由于測量次數(shù)不同而構(gòu)成的不等精度，把各數(shù)據(jù)給出的精度參數(shù)看成相當(dāng)于只是測量次數(shù)不同而得出的測量結(jié)果的精度參數(shù)。方差小的傳感器所對應(yīng)的權(quán)系數(shù)大，而方差大的傳感器所對應(yīng)的權(quán)系數(shù)小。

硬件設(shè)計(jì)

CAN-BUS采用雙線串行通信方式，具有通信速率高，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作，容易實(shí)現(xiàn)，性價(jià)比高等諸多特點(diǎn)，已成為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。CAN-BUS用于工業(yè)通訊系統(tǒng)中，不僅可以增強(qiáng)系統(tǒng)通訊的可靠性和通訊距離，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。STM32F103ZET6片內(nèi)集成CAN控制器，系統(tǒng)只需在外部擴(kuò)展一個(gè)CAN收發(fā)器就可以實(shí)現(xiàn)CAN通訊。

系統(tǒng)選用廣州致遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的CTM8251AT通用CAN隔離收發(fā)器，內(nèi)部集成了所有必需的電氣元件：包括通訊隔離電路、電源隔離電路、CAN接收器、總線保護(hù)等。CTM8251AT將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且具有電壓隔離、ESD保護(hù)功能及TVS管防總線過壓保護(hù)功能。接口電路如圖5所示。

瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能

(1)為掘進(jìn)面智能通風(fēng)控制策略提供瓦斯?jié)舛刃畔⒁罁?jù)，合理選擇瓦斯?jié)舛鹊臏y量位置，有效地提高了瓦斯?jié)舛确植紶顩r監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

(2)對掘進(jìn)工作面模擬巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛确植记闆r進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測：瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)將多個(gè)瓦斯傳感器采集的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳遞給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)并將實(shí)時(shí)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給地面集控中心進(jìn)行分析。

(3)掘進(jìn)面模擬巷道內(nèi)實(shí)時(shí)瓦斯平均濃度的估計(jì)分析：瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)使用了自適應(yīng)加權(quán)算法多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，該技術(shù)利用多個(gè)瓦斯傳感器共同或聯(lián)合的操作優(yōu)勢，提高掘進(jìn)面巷道瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)對巷道瓦斯平均濃度估計(jì)分析的有效性、準(zhǔn)確性，消除單個(gè)或少量傳感器的局限性。當(dāng)單個(gè)瓦斯傳感器發(fā)生故障時(shí)，瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)對于整個(gè)模擬巷道內(nèi)瓦斯平均濃度的分析具有容錯(cuò)性。

智能控制策略

地面集控中心采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制策略，以變化的瓦斯?jié)舛葹閰⒘浚詣?dòng)、大范圍地連續(xù)調(diào)節(jié)局部通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使其在最佳的工況條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，合理地控制模擬巷道內(nèi)的風(fēng)量，這樣能夠大量節(jié)省局部通風(fēng)機(jī)由于長期恒速運(yùn)轉(zhuǎn)造成的能量浪費(fèi)，同時(shí)也自動(dòng)地將瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶畠?nèi)。

風(fēng)量控制模式為風(fēng)量閉環(huán)控制。對礦井掘進(jìn)面瓦斯?jié)舛瓤煽糠€(wěn)定的控制是保證煤礦掘進(jìn)面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，掘進(jìn)面風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是重要的控制參數(shù)。采用變頻調(diào)速技術(shù)，可以有很好的節(jié)能效果，更重要的是通過變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變以直接調(diào)節(jié)風(fēng)量、風(fēng)壓大小，保證煤礦掘進(jìn)面瓦斯的安全排放和充足的供氧量，并達(dá)到人性化供風(fēng)的目標(biāo)。掘進(jìn)面智能通風(fēng)控制系統(tǒng)的風(fēng)量控制策略圖如圖6所示。

掘進(jìn)面智能通風(fēng)控制系統(tǒng)根據(jù)掘進(jìn)面工作現(xiàn)場狀況設(shè)定一個(gè)初始值，反饋信號(hào)由局扇風(fēng)量實(shí)際值和瓦斯?jié)舛葘?shí)際值通過風(fēng)量傳感器和瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測提供，這兩個(gè)輸入信號(hào)首先傳輸給上位機(jī)中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，由其進(jìn)行分析并向單片機(jī)給出控制信號(hào)，再由單片機(jī)向變頻器給出信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到自動(dòng)控制風(fēng)量，穩(wěn)定控制瓦斯?jié)舛取⒐┭趿康哪康摹?/p>

結(jié)論

本文給出了掘進(jìn)面智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了新型智能隔爆四回路電磁啟動(dòng)器和基于CAN總線的數(shù)據(jù)融合多傳感瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，上位機(jī)與井下單片機(jī)控制站通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，保證上下位機(jī)數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確傳輸。