礦用局部通風機自動控制系統設計及應用研究*

梁 晨

(山西潞安檢測檢驗中心有限責任公司，山西 長治 046204)

0 引 言

我國絕大部分煤礦都處在地下，地下煤礦在開采過程中容易產生粉塵、瓦斯及其他有毒有害氣體。對于這些粉塵和氣體如果不加以處理，必然會對井下工作人員的身心健康，甚至生命構成威脅[1]。局部通風機是確保煤礦掘進工作面良好環境的重要措施，利用通風機可以將井內各種粉塵、有害氣體等排出礦井，同時向內部輸入新鮮空氣[2-3]。對于瓦斯涌出量不穩定的礦井，如果通風機持續以高速度運行必然會造成能源浪費[4]。根據礦井內的實際情況，比如瓦斯涌出量大小，對通風機的運行速度進行自動化控制。在確保井內安全的情況下降低能源消耗[5-6]。

1 自動控制系統整體方案

設計的礦用局部通風機自動控制系統最重要目標是能夠根據礦井內部的實際情況，對局部通風機的風速進行調節，避免通風機長時間高功率運行，不僅不利于設備的長期穩定運行，還會造成大量的能源浪費。圖1所示為根據該目標設計的自動控制系統整體方案框圖。由于局部通風機在確保煤礦安全方面發揮著非常重要的作用，一旦停止工作，則會威脅礦井內部人員的安全。故在每個位置均設置有主通風機和備用通風機，且每臺通風機均配備有一臺變頻器。作用是接受主控制器的控制，進而改變通風機設備供給電源頻率，實現通風機運行功率的準確控制。

圖1 自動控制系統整體方案框圖

自動控制系統設置有瓦斯、煤塵和溫濕度傳感器，可以對井內的實際情況進行實時檢測，并將結果傳輸到主控制器中進行分析與處理。一旦控制器判斷井內存在危險，則會下達控制指令加大通風機的運行功率，進而加速井內空氣的更換，確保井內安全。相反的，如果井內環境較為安全，則下達指令降低通風機的運行功率，以達到節省能源并保護設備的目的。

另外，所有的數據信息都可以通過上位機連接的顯示大屏進行顯示，以便工作人員能隨時掌握井下的實際情況。如果井下瓦斯、煤塵和溫濕度等情況超過了通風機可以調節的范圍，則系統會發出警報。控制人員可以通過遠程的方式，對井下的主通風機和備用通風機進行切換。

2 自動控制系統硬件選型設計

設計的自動控制系統中，最重要的硬件設施主要包括主控制器、變頻器以及各類傳感器。因此，以下主要對這些硬件設施進行詳細的選型與設計。

2.1 主控制器

主控制器在本控制系統中所發揮的作用是不言而喻的，所有傳感器檢測得到的數據信息都需要傳輸的傳感器中進行分析和處理，同時還要對所有變頻器進行控制，進而實現通風機運行功率的控制，還要與上位機設備進行數據傳輸。選用的控制器必須要具備有強大的數據計算與傳輸能力，結合實際情況選用的是STM32F103VB型控制器，如圖2所示為該型號控制器的實物圖片。該控制是具有非常豐富的外接接口，其中就包括CNN總線接口和USB高速接口可以實現與外部設備的連接及數據的高速傳輸。在計算能力方面，具備有16級可編程優先級、60個中斷、17個ADC通道串口，完全能夠滿足本控制系統的運算需求。

圖2 主控制器的實物圖片

2.2 變頻器

選用的變頻器型號BPJ-90-660，該型號變頻器在工業領域有比較廣泛的應用，運行可靠性好，具有自保護功能，一旦出現故障問題會自動報警，非常適合礦井復雜的工作環境。可以同時實現矢量和標量控制，確保控制過程的準確性和穩定性。如圖3所示為變頻器的頻率控制基本原理圖。變頻器的輸入電壓頻率為50 Hz，輸出的電壓頻率可以在0～320 Hz范圍內變換。

圖3 變頻器控制基本原理框圖

2.3 傳感器

選用的瓦斯濃度傳感器型號為KGJ16B，其工作原理主要是利用紅外裝置對瓦斯濃度進行檢測。實踐證明，該瓦斯傳感器具有非常高的檢測精度，具有防爆功能，可以適應礦井工作環境。粉塵傳感器選用的型號為GCG1000，作用是對井內的煤塵濃度進行檢測，運用的是光散射原理，因為空氣中的粉塵濃度大小會對光的散射造成影響。該型號傳感器同樣具有很高的檢測精度，精度可以控制在2.5%范圍內，運行過程可靠、穩定，可以檢測的范圍為2 km，且可以接受遠程控制。溫濕度傳感器選用的是GWSD100/100型號，可以同時對井內的溫度和濕度兩種信號進行實時檢測，具有非常高的靈敏度。其溫度和濕度檢測范圍分別為0～100 ℃和0～100%RH。風速傳感器選用的是GFY15B型號，作用是對井內的風速和風量進行實時檢測，并上傳到主控制器中，響應時間可以控制在5 s范圍內。

3 自動控制系統軟件分析

自動控制系統的軟件部分在LabVIEW軟件中進行編寫與實現，通過軟件可以對硬件設施進行控制與操作，實現整個控制系統的功能，同時還要將相關的數據信息傳輸到上位機顯示大屏中進行顯示。登錄系統前用戶必須輸入對應的賬號和密碼，否則無法進入系統進行查看和操作，如圖3所示為進入系統后的軟件界面。

圖4 自動控制系統監控界面

由圖可知，控制系統界面中顯示了多組通風機的運行狀態數據信息，每組通風機包含有主通風機和備用通風機。界面中不僅顯示了當前階段通風機的風量，還可以基于傳感器檢測得到的各項數據信息進行綜合分析，對未來一段時間需要的風量進行預測，進而對通風機的運行功率進行調節。軟件具有自動和手動兩種工作模式，自動模式下系統可以對主備通風機進行自動切換，在手動模式下操作人員可以自由地選擇主備通風機。

所有檢測得到的數據信息都會存儲到數據庫中，以便后續對井內的數據進行查詢與分析。軟件中設置有環境參數界面，可以顯示井內的具體環境參數，包括瓦斯濃度、煤塵濃度、環境溫度和濕度、井內風量和風速等。一旦井內環境過于復雜，通風機無法有效調節與控制時則發出警報，提示工作人員及時撤離。

4 結 語

將設計的礦井局部通風機自動控制系統應用到煤礦工程實踐中，并對其實踐運行效果進行了連續6個月時間的觀察。運行效果顯著通風機的實際輸出風量可以在17 000～25 000 m3/min范圍內自動化調整，有效保證了礦井內部的環境安全，同時還降低了通風機的能源消耗。安全效益和經濟效益顯著；自動系控制系統的應用顯著提升了煤礦的自動化水平，使用的各種硬件設施全部具有非常高的可靠性，提升了整個通風系統運行的穩定性。