礦井通風(fēng)機(jī)安全自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

和 磊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦供電科，山西 大同 037003）

引言

在煤礦的開采過程中，會(huì)產(chǎn)生包含瓦斯在內(nèi)的多種危險(xiǎn)氣體，當(dāng)超過一定濃度時(shí)，不僅對(duì)作業(yè)人員的安全造成威脅，還容易發(fā)生爆炸事故，影響煤礦的安全生產(chǎn)。在煤礦的生產(chǎn)中，工作面通風(fēng)機(jī)是必不可少的設(shè)備，特別是在瓦斯等有害氣體濃度較高的位置，對(duì)于局部的通風(fēng)機(jī)設(shè)備要求更高。由于煤礦設(shè)備的使用周期長(zhǎng)，造成許多通風(fēng)機(jī)設(shè)備管理落后，設(shè)備損壞或者不能依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的調(diào)整，造成了設(shè)備的可靠性差，浪費(fèi)了一定的電能，為煤礦的開采帶來(lái)安全隱患[1]。進(jìn)行煤礦等礦井的通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，可以依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，保證作業(yè)人員和井下的安全，對(duì)于煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的意義。

1 礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

依據(jù)煤礦工作面內(nèi)的實(shí)時(shí)氣體濃度進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)整是進(jìn)行自動(dòng)控制的關(guān)鍵，采用相應(yīng)的傳感器對(duì)氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，依據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過控制器的計(jì)算進(jìn)行所需風(fēng)量的預(yù)測(cè)，對(duì)不同的通風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)通過調(diào)整通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，對(duì)通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整依據(jù)巷道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)采用相應(yīng)的控制算法進(jìn)行預(yù)測(cè)[2]，從而實(shí)時(shí)對(duì)通風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，自動(dòng)控制系統(tǒng)包括局部控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，局部控制系統(tǒng)依據(jù)采集的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果上傳至上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和監(jiān)控；供電系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)的方式，保障系統(tǒng)的不間斷供電，并采用UPS作為不間斷供電應(yīng)急設(shè)備，保證系統(tǒng)的持續(xù)工作能力。供電系統(tǒng)在為局部控制器提供供電的同時(shí)，在主控制器中對(duì)UPS的工作狀態(tài)設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)，保證供電系統(tǒng)的可靠性[3]。

圖1 通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)整，同時(shí)對(duì)電源的供電系統(tǒng)加強(qiáng)管理。其主要功能包括：對(duì)系統(tǒng)能夠進(jìn)行初始化設(shè)置，在斷電后能夠自行恢復(fù)工作，依據(jù)上位機(jī)的指令對(duì)礦井內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理[4]；能夠依據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，進(jìn)行通風(fēng)機(jī)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)整；具備通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制，可以對(duì)通風(fēng)機(jī)的主備用切換，并對(duì)瓦斯氣體、粉塵等進(jìn)行及時(shí)報(bào)警；冗余供電系統(tǒng)提供供電的可靠性保障，并通過主控制器采集相應(yīng)的電壓、電流等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)供電狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制流程如下頁(yè)圖2所示，依據(jù)控制流程實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)和供電系統(tǒng)的控制及監(jiān)測(cè)。

圖2 通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制流程圖

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用Labview作為上位機(jī)的設(shè)計(jì)軟件，可以進(jìn)行圖形化的界面編輯并進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示及模擬，該軟件含有豐富的應(yīng)用工具，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理。在通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，采用STM32對(duì)通風(fēng)機(jī)的調(diào)速控制和電源的管理進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量預(yù)測(cè)及處理采用MATLAB工具進(jìn)行測(cè)算設(shè)計(jì)。在上位機(jī)的顯示中采用二者混合編程的形式進(jìn)行顯示，通過Labview對(duì)MATLAB計(jì)算程序進(jìn)行調(diào)用[5]。要實(shí)現(xiàn)兩者之間混合編程的形式，必須要采用COM接口的方式進(jìn)行相互之間的通訊，STM32芯片采用RS232串口的形式與MATLAB之間通訊，而在STM32內(nèi)部采用MAX3232進(jìn)行高低電平的轉(zhuǎn)換獲得串口的通訊。

對(duì)上位機(jī)的圖形化顯示界面采用Labview進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)可以分為通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和電源管理系統(tǒng)的監(jiān)控，其中通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控界面如圖3所示。從圖3所示的界面中，可以查看系統(tǒng)內(nèi)所有的通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，每組通風(fēng)機(jī)采用用一備一的方式，可以查看當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，及對(duì)風(fēng)量的預(yù)測(cè)。通過操作界面，還可以對(duì)主備用通風(fēng)機(jī)進(jìn)行切換及風(fēng)量的調(diào)整。

圖3 通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控界面

通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)依據(jù)環(huán)境的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，通過環(huán)境參數(shù)按鈕，可以查看當(dāng)前的通風(fēng)機(jī)運(yùn)行巷道內(nèi)的環(huán)境變化，如圖4所示的界面可以查看當(dāng)前的瓦斯、煤塵的含量，及相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，并能夠進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。

圖4 通風(fēng)機(jī)巷道環(huán)境參數(shù)界面

故障報(bào)表中提供了故障的時(shí)間、類型及處理等數(shù)據(jù)，可以增加控制系統(tǒng)的故障樣本，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。在電源管理系統(tǒng)的監(jiān)控中，可以對(duì)供電的情況進(jìn)行監(jiān)控，查看UPS的運(yùn)行狀態(tài)，并顯示其相應(yīng)的環(huán)境溫度、充放電狀態(tài)等，便于對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行在線管理。

3 結(jié)語(yǔ)

通風(fēng)機(jī)是煤礦等行業(yè)中進(jìn)行通風(fēng)作業(yè)的必備設(shè)備，特別是對(duì)于煤礦的開采，通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行對(duì)于礦井的安全具有重要的作用。由于井下的環(huán)境復(fù)雜多變，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)整具有重要的意義。對(duì)通風(fēng)機(jī)安全自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)傳感器采集井下的數(shù)據(jù)，通過控制器的計(jì)算進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，并且設(shè)計(jì)了電源供電管理系統(tǒng)，保證控制系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行。依據(jù)控制系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的上位機(jī)操作及監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)和電源供電系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)和管理。通過通風(fēng)機(jī)的安全自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下作業(yè)通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)整，保證了井下作業(yè)的安全性，并且依據(jù)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，可以節(jié)約通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的電能，從而提高通風(fēng)機(jī)的效率及可靠性。