基于安全節能的煤礦通風系統設計

劉玉龍

（晉能控股煤業集團安全督察大隊五中隊，山西大同 037004）

煤礦重大安全事故中瓦斯事故占比約50%，預防瓦斯爆炸事故是煤礦安全生產的重中之重。瓦斯主要存在與煤層中，隨煤礦開采以涌出形式迅速釋放，如果瓦斯氣體在巷道狹窄有限空間內積聚并達到一定濃度值后會發生爆炸事故。因此，需要采用煤礦通風系統向狹窄巷道內輸送氧氣同時將瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等有毒有害氣體排出，保證作業環境安全，保障工作人員身心健康。煤礦井下通風系統普遍采用“一風吹”模式，但是在高瓦斯礦井下，瓦斯濃度極易發生變化，需根據瓦斯濃度及時改變通風模式、通風風量，否則極易造成瓦斯濃度超標[1-2]。根據瓦斯實時濃度，設計并實現通風控制系統，在保證工作安全性和通風系統運行可靠性的前提下，節約電能并達到安全生產的目的。因此，研究適應高瓦斯煤礦的通風系統，實時預測需風量并進行智能調速，對于改善高瓦斯礦工作環境，保證安全生產具有重要的意義。國內煤礦通風系統采用單極和雙極高壓軸流式通風機，存在噪聲大、效率低、電能浪費嚴重的問題；對旋式通風機設計合理、環境適應能力強且工作效率高。國內專家基于對旋式通風機，基于神經網絡技術、模糊控制技術設計并實現煤礦通風控制系統，如文獻[3]提出一種模糊神經網絡PID控制方法，能夠使得通風風量與瓦斯濃度自適應匹配，實現風機動態調速并達到節約電能的目的；文獻[4]采用GK聚類算法與T-S模糊控制算法相結合，實現通風機協同調速功能，優化通風機運行性能；文獻[5]采用遺傳算法對傳統通風機PID控制算法進行優化，實現了通風機轉速的動態調整。文章基于瓦斯濃度與通風量關系，設計風量、瓦斯雙閉環模糊控制系統，解決低瓦斯濃度時通風風量過大的問題，實現通風系統安全、節能工作，改善煤礦井下工作環境，保證煤礦井下安全生產。

1 系統設計

根據對采掘工作面巷道內的數據進行分析和統計發現，瓦斯濃度是影響通風機風量的核心因素，巷道內一氧化碳濃度以及溫度是影響通風機風量的非核心因素。因此，綜合考慮巷道內瓦斯、一氧化碳、溫度三個因素，設計的基于安全節能的煤礦主通風系統設計框圖如圖1所示，由風量模糊控制閉環、瓦斯模糊控制閉環以及溫度/一氧化碳控制模塊組成，實時、動態調節主通風機風量輸出。煤礦井下通風機的通風量與巷道內的瓦斯濃度、一氧化碳濃度、溫度等相關。在采掘作業過程中，通風控制系統周期性的采集瓦斯濃度傳感器、一氧化碳濃度傳感器以及溫度傳感器數據，并通風量進行及時調節，達到優化通風風量、節能電能的目的。通風電動機為變頻電機，設計的雙閉環模糊控制系統根據傳感器數據經邏輯模塊后，直接控制變頻器輸出頻率，進而達到調節通風機轉速/轉矩的目的。

2 硬件設計

基于安全節能的煤礦通風系統用的硬件主要包括微控制器、變頻器、瓦斯濃度傳感器、粉塵濃度傳感器、溫度傳感器以及一氧化碳濃度傳感器。選用STM32F103VB 微控制器為核心處理器，該芯片配置有60 個中斷、16 級可編程優先級、17 個DC 串口通信，轉換頻率最大為1MHz。外部可連接USB、CAN 總線通訊接口，滿足煤礦通風系統設計要求。選用礦用BPJ90-660型變頻器，能夠實現開環、閉環同步矢量控制，調速效果好、靈活性強，同時可實現部障報警、安全保護等功能。該變頻器的額定電流為136A，變頻范圍為0～320Hz，調試方式為SPWM，可進行標量/矢量控制[6-7]。選用KGJ16B 型紅外瓦斯濃度傳感器，基于紅外檢測模式實時測量瓦斯氣體濃度，工作電壓為DC24V，工作電流為65mA，測量瓦斯濃度范圍為0%～4%，可輸出200～1000Hz 的頻率信號或者1～5mA 的電流信號，測量精度小于±0.1%，響應時間小于20s。選用GCG1000型粉塵濃度傳感器，該傳感器基于光散射原理對巷道內的粉塵濃度進行檢測并有自動零點校準和軟起動功能，同時可實現遠程遙控控制。該粉塵濃度傳感器的工作電壓為DC24V，工作電流小于250mA，可測量的粉塵濃度范圍為0～1000mg/m3，可輸出200～1000Hz頻率信號，也可輸出1～5mA電流信號，測量精確度小于等于±2.5%，有效檢測距離大于2000m[8]。選用GWSD100 型溫度傳感器，該傳感器可對巷道內的溫度、濕度進行檢測，靈敏度高、穩定性好，有效測量距離大于2000m[9]。選用GFY15B 型一氧化碳傳感器，該傳感器結構簡單、可靠性好、檢測精度高，滿足通風系統控制要求。

3 軟件設計

基于安全節能的煤礦通風系統軟件采用C++語言進行編寫，并下載至STM32F103VB 微控制器運行。根據煤礦通風系統設計要求，對要實現的功能進行模塊子程序劃分，主要包括系統上電及初始化子程序、上位機顯示子程序、通訊子程序、傳感器數據采集子程序、模數轉換子程序、模擬量處理子程序、數字量延時子程序、變頻控制子程序、模糊控制子程序以及節能控制子程序等。圖2所示為煤礦通風節能控制子程序，當系統上電及初始化過程完成后，系統判斷通風電動機的轉速是否為額定值，為非額定值后，經延時處理并增加轉速；當巷道內瓦斯濃度大于1.2%后進行瓦斯排放控制流程；當瓦斯濃度小于等于1.0%時，將通風電動機的轉速調整至最大值；當瓦斯濃度大于1.0%時，進入節能調速流程。

基于安全節能的煤礦通風系統在運行過程中，出現的故障主要有電氣故障、機械故障以性能故障，如母線電壓中斷/跌落、軸承振動過大、風量偏小等[10]，如圖3所示。當通風系統發生故障時，故障信息會實時在上位機中進行顯示并提出解決該故障的一般方法，以降低停機時間，保證煤礦安全生產。為保證煤礦通風系統安全運行，上位機登錄界面設計登錄權限，只有特定人員用于最高權限，普通技術/操作工只有查看權限。

4 測試及分析

根據MT-T 1071-2008、AQ1011-2005、MT/T 1107-2011 以及MT222-1996/2007 以及《煤礦安全規程》等文件對設計并實現的基于安全節能的煤礦通風系統進行測試和分析，并形成表1試驗結果統計表。由表1可知，當變頻器運行頻率由14.0～49.2Hz線性增加時，巷道瓦斯實時濃度值由0.2～1.1 線性增加，同時電動機的有功功率、功率因素也同步增加，實現了通風電動機動態、實時調速并達到安全節能的目的。

表1 基于安全節能的煤礦通風系統試驗結果

5 結束語

煤礦通風系統的應用提高了煤礦自動化水平，同時保證了煤礦生產安全、高效運行。根據巷道內瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體濃度，動態、實時調節通風機風量，當瓦斯濃度不超標時，節能通風；當瓦斯濃度超標時，通風電動機高效、穩定運行，在較短時間內降低瓦斯濃度，改善工人勞動環境，保障安全生產。