基于MCGS的礦井風(fēng)量測(cè)量?jī)x的應(yīng)用研究

李福龍

（陽煤集團(tuán)新景公司， 山西 陽泉 045000）

引言

由于礦井地下條件復(fù)雜、工作條件惡劣，現(xiàn)有的風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)量裝置在工作中普遍存在著對(duì)風(fēng)量、風(fēng)壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏差大、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，頻繁造成對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的誤調(diào)節(jié)，給煤礦井下的通風(fēng)安全造成了較大隱患，因此本文根據(jù)煤礦井下的通風(fēng)特點(diǎn)和風(fēng)量、風(fēng)壓通風(fēng)測(cè)量要求，提出了一種基于MCGS的礦井風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井通風(fēng)過程中總風(fēng)量和風(fēng)壓的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

1 風(fēng)量、風(fēng)壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)原理

根據(jù)伯努利方程及流體的連續(xù)性方程分析可知，當(dāng)流體在流動(dòng)過程中，速度大時(shí)其靜壓較小、其流速小時(shí)靜壓又相應(yīng)增大。因此在煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)中即可利用該流體的分布規(guī)律，在風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒的兩端截面上分別設(shè)置一個(gè)靜壓環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)流體流動(dòng)時(shí)靜壓的確定，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在工作過程中，因?yàn)轱L(fēng)量在流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，為了對(duì)損耗部分進(jìn)行修正，因此可根據(jù)伯努利方程對(duì)其進(jìn)行損耗量補(bǔ)償，其可表示為[1]：

式中：p1為靜壓環(huán)1所測(cè)靜壓；ρ為空氣密度；v1為通過截面1處的風(fēng)速；p2為靜壓環(huán)2所測(cè)靜壓；v2為通過截面1處的風(fēng)速；k為截面1和截面2之間的壓強(qiáng)損失系數(shù)。

圖1 靜壓環(huán)設(shè)置示意圖

由連續(xù)性方程可知：

式中：A1為截面1處擴(kuò)散管和消聲器之間的面積；A2為截面1處擴(kuò)散管和消聲器之間的面積；Δp1-2為通過截面1處和截面2處的靜壓差。

由分析可知，系統(tǒng)中的靜壓差和空氣在流動(dòng)時(shí)的動(dòng)壓之間有著一定的比例關(guān)系，其比例系數(shù)即為氣流的壓強(qiáng)落差因數(shù)。因此只要在一個(gè)截面上設(shè)置風(fēng)速傳感儀然后根據(jù)式（3）即可獲得通過該處的風(fēng)速，以截面2處為例，其風(fēng)速可表示為：

其風(fēng)量f可表示為：

2 風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)組成

基于MCGS的礦井風(fēng)量測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)是以MCGS組態(tài)軟件[3]為控制核心的系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)與數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

在該測(cè)量裝置中，其核心結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)采集和處理模塊，其采用了加權(quán)均值理論和循環(huán)采集的方式進(jìn)行工作，對(duì)截面1和截面2處的壓差進(jìn)行不間斷的測(cè)量，其測(cè)定周期設(shè)定為50 ms，通過直接測(cè)定風(fēng)壓參數(shù)，然后通過傳感器的數(shù)據(jù)運(yùn)算獲取風(fēng)機(jī)的風(fēng)量參數(shù)，其參數(shù)每隔1 s對(duì)其更新一次，同時(shí)對(duì)在該周期內(nèi)的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)均值化處理，系統(tǒng)的風(fēng)量的參數(shù)每隔5 s更新一次，最后將相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行加權(quán)均值化處理，通過系統(tǒng)不間斷的監(jiān)測(cè)、處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井風(fēng)壓、風(fēng)量的不間斷監(jiān)測(cè)。

3 測(cè)量裝置控制軟件的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)裝置采集的風(fēng)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，本文提出了軟件控制模塊化的控制方案[4]，將不同模塊功能進(jìn)行明確任務(wù)劃分，使相互之間具有一定的獨(dú)立結(jié)構(gòu)，然后通過一定的邏輯控制流程使各個(gè)軟件模塊相互連接，其控制邏輯如圖3所示。

圖3 風(fēng)壓風(fēng)量測(cè)量裝置軟件控制流程

由該控制流程可知，系統(tǒng)工作初始，首先對(duì)其進(jìn)行初始化處理，然后對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的壓力進(jìn)行測(cè)定，將測(cè)定結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)傳輸?shù)組CGS組態(tài)軟件中并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判定是否對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整。而當(dāng)風(fēng)量小于系統(tǒng)設(shè)定的報(bào)警值時(shí)則會(huì)出發(fā)相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，同時(shí)將數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示到控制中心的顯示屏幕上，以便于控制中心人員對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

在該控制系統(tǒng)中，為了提升風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)量裝置的抗干擾能力，在該測(cè)量裝置中對(duì)算術(shù)平均值和濾波值進(jìn)行濾波處理，首先對(duì)其變量值安裝一定的邏輯順序，然后取一個(gè)監(jiān)測(cè)的中間變量值，獲得一個(gè)均值平均數(shù)，可有效防止在監(jiān)測(cè)過程中突然受到的脈沖或者電磁的干擾，確保監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

1）該測(cè)量裝置以MCGS組態(tài)軟件為控制核心，利用系統(tǒng)中的靜壓差和空氣在流動(dòng)時(shí)的動(dòng)壓之間有著一定的比例關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量和風(fēng)壓的測(cè)定。

2）測(cè)量中通過加權(quán)均值理論和循環(huán)采集的方式進(jìn)行工作，確保數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和合理性。

3）軟件控制系統(tǒng)采用了模塊化控制方案，優(yōu)化了控制邏輯，確保了數(shù)據(jù)采集流程的可靠性和數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。