綜掘工作面智能局部通風機管控系統研究

曹建文

1山西天地煤機裝備有限公司 山西太原 030006

2中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 030006

3煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室 山西太原 030006

瓦斯是煤礦井下安全防治的重中之重。煤礦井下瓦斯事故是由于掘進過程中煤層氣壓平衡破壞，瓦斯突然釋放出來，或游離于巷道內部，或吸附于煤巖上。瓦斯積聚到一定濃度后遇明火發生燃燒或者爆炸，引發煤礦井下瓦斯事故。瓦斯事故是威脅煤礦井下安全生產的主要因素之一。據統計，發生在綜掘工作面的瓦斯事故占總瓦斯事故的 70%～80%[1-2]。因此，需迫切研究局部通風管控系統解決綜掘工作面瓦斯安全問題。局部通風機是綜掘工作面的主要通風設備，負責稀釋、排放掘進過程釋放出的瓦斯，同時將新鮮空氣輸送至綜掘工作面，保證安全、良好的綜掘工作環境。基于此，研究綜掘工作面局部通風機管控系統并完成試驗驗證和試運行，達到綜掘工作面安全、穩定、高效生產的目的。

1 綜掘工作面瓦斯涌出分析

綜掘工作面瓦斯從煤巖裂縫中涌出，涌出強度由低到高，伴隨少量水和刺激性氣味，不易被發現；瓦斯涌出量與煤層、巖層的瓦斯含量成正比，與地面大氣壓成反比，且與煤層開采深度、順序以及回采方式有關。當瓦斯涌出現象持續且局部通風風量不足時，易導致綜掘巷道內部瓦斯積聚，帶來嚴重安全隱患。綜掘工作面瓦斯涌出區域有煤壁瓦斯、落煤瓦斯兩種[3-4]。

式中：V1為在t+1 時刻單位面積內的瓦斯涌出強度，m3/(m2·min)；V0為t＝0 時刻瓦斯的解析強度，m3/(m2·min)；t為瓦斯涌出時間，min；α為瓦斯解析強度衰減系數；q為煤壁瓦斯涌出量，m3；D為煤壁外露面的周長，m；V為平均掘進速度，m/min；q0為煤壁瓦斯涌出強度，m3/(m2·min)；L為綜掘巷道的總長度，m。

落煤瓦斯即在外部作用力下，穩定狀態煤層與原煤層發生分離，從高處落下并產生大小不一的裂隙，瓦斯從裂隙中涌出并在風力和瓦斯濃度梯度的作用下涌入綜掘工作面。

式中：V2為單位面積內單位質量的落煤經t+1 時刻后的瓦斯涌出強度，m3/(m2·min)；q1為落煤瓦斯涌出量，m3；S為綜掘巷道橫截面積，m2；γ為煤料密度，t/m3；W0為瓦斯原始含量，m3/t；Wc為殘存瓦斯含量，m3/t。

2 局部通風理論分析

綜掘工作面局部通風的目的是將掘進過程中產生的瓦斯、煤塵以及有毒有害氣體稀釋并排出巷道外部，保障綜掘巷道的通風效果和安全性。局部通風機的風量與轉速成正比，風壓與轉速的平方成正比，功率與轉速的三次方成正比，即可通過控制局部通風機的轉速實現局部通風機風量的自適應控制。一般采用變頻調速原理，即通過控制電源頻率對局部通風機的轉速進行調節。

式中：Eg為感應電動勢的有效值，V；f1為定子頻率，Hz；Ns為定子每相繞組串聯匝數；kNs為基波繞組系數；φm為每級的氣隙磁通，WB。

由式 (5) 可知，通過控制感應電動勢的有效值和定子頻率可實現對磁通的控制。根據實際應用經驗，局部通風機變頻調速時的運行頻率能夠長期且穩定保持在 25～50 Hz，達到節能降耗的目的[6-7]。

選擇局部通風機時需考慮綜掘工作面風量、風速、溫度、瓦斯涌出量、綜掘工作面實際工作人數等因素。優選的局部通風機為對旋軸流局部通風機，具有雙機自動切換、風流風壓穩定、通風效率高、噪音低等特點，能夠適應綜掘工作面惡劣工況，保證局部通風系統正常、穩定、安全工作[5]。

3 總體設計

綜掘工作面智能局部通風機管控系統需具備的功能有：①可完成常用局部通風機與備用局部通風機的無縫自動切換；② 可實現局部通風風機的智能變頻調速；③可由地面監控室調節局部通風機的運行和倒機試驗；④ 可完成局部通風機溫度、電流、瓦斯、風速、風量、煤塵、CO、CO2、振動等參數的監測，當監測數據超出安全閾值時可進行聲光語音報警；⑤ 地面監控室可實時記錄局部通風機運行情況，對切換歷史、切換時間、切換耗時、供電情況、設備故障等進行記錄[8]；⑥ 局部通風機控制系統可直接接入井下工業環網。根據綜掘工作面智能局部通風機管控系統功能，總體設計結構如圖 1 所示。

圖1 智能局部通風機管控系統總體設計結構Fig.1 Overall structure of intelligent control system for local ventilator

4 硬件設計

4.1 硬件選型

綜掘工作面智能局部通風機管控系統的核心硬件包括 DSP 處理器、瓦斯以及風速傳感器等。

DSP 處理器型號為 TMS320F28335，32 位浮點型微處理器，配置有 88 個 GPIO 口、2 個 12 位 ADC、18 個 PWM 定時器、2 個 CAN 接口、3 個 SCI 接口、1 個 SPI 接口和 1 個 I2C 接口。該芯片具有能耗低、信號處理能力強、適應性強等特點，滿足智能局部通風機管控系統設計要求[9-10]。

瓦斯傳感器型號為 GJC4，測量范圍為 0～4%，通氣流量為 200 mL/min，頻率為 200～1 000 Hz，供電電壓為 DC 9～24 V。該傳感器采用載體催化元件，能夠精準檢測空氣中的瓦斯濃度并向關聯設備發出信號，具有靈敏度高、非線性補償、聲光報警以及在線調零等特點[11]。

風速傳感器選用的型號為 GFW15，測量范圍為 0.4～15.0 m/s，測量誤差 ＜ 0.2 m/s；頻率為 200～1 000 Hz，工作電壓為 DC 9～24 V，可進行 4 位 LED 顯示，報警方式為斷續或聲光報警。該傳感器采用超聲波測量原理，利用單片機和高集成電路采集風速數據且掉電數據不丟失。

4.2 傳感器布置

綜掘工作面智能局部通風機管控系統的瓦斯、風速傳感器布置如圖 2 所示。T1布置于綜掘工作面巷道內，距迎頭處 3～5 m；T2布置于綜掘工作面掘進巷道內，距回風巷 10～15 m；T3布置于掘進巷道內，距掘進巷道 10～15 m。瓦斯報警濃度設置為≥1.0%，瓦斯斷電濃度為≥1.5%，瓦斯復電濃度為＜1.0%。風速傳感器安裝于綜掘工作面巷道內的回風流處，距迎頭處 10～15 m，用于監測回風流處的風速。

圖2 綜掘工作面瓦斯、風速傳感器布置Fig.2 Layout of gas and wind speed sensor on comprehensively-mining work face

4.3 硬件電路設計

綜掘工作面智能局部通風機管控系統硬件電路設計需滿足局部通風管控系統模擬量采集與調理、通信、保護以及顯示功能，結構如圖 3 所示。

圖3 智能局部通風機管控系統硬件設計結構Fig.3 Structure of hardware of intelligent control system for local ventilator

(1) 主控模塊 包括 GPIO 轉換電路、復位電路、時鐘電路以及 JTAG 電路等，滿足局部通風管控系統模數轉換、邏輯判斷、輸出控制、計時復位等功能。

(2) 開關量輸入輸出模塊 用于處理管控系統中的按鈕、控制開關、繼電器、指示燈、斷路器信號；外擴光耦隔離器件，防止外部強電干擾和高壓信號進入 DSP 芯片。

(3) 模擬量采集調理模塊 利用運算放大器、電容電阻等元件對 4～20 mA 電流信號進行調理和濾波并轉換為 0～3 V 電壓信號，輸入到 DSP 芯片 A/D 轉換接口。

(4) 通信模塊 外擴 SP3485EN 低功耗半雙工芯片，設計 RS485 通信電路，用于 DSP 芯片與變頻器通信。外擴 ENC28J60 獨立以太網控制器，用于 DSP 芯片與井下工業環網通信。

(5) 電源模塊 為適應井下供電電網電能質量不穩定的因素，由開關電源將 AC 36 V 整流降壓后輸出 DC 12 V，由線性穩壓電源將 DC 12 V 逐級降壓至 5、3.3、1.8 V，為 DSP 芯片、液晶顯示屏、蜂鳴器等提供穩定電源。

(6) 人機交互模塊 外擴 LDC1602 液晶顯示屏，實時顯示局部通風管控系統的運行參數、故障信息以及運行狀態。同時可通過液晶顯示屏上的按鈕進行遠程控制。

5 軟件設計

5.1 算法設計

智能局部通風機管控系統算法基于模糊控制器實現，其設計流程如圖 4 所示。根據局部通風管控系統設計要求設計模糊控制規則并寫入至 DSP 寄存器。當綜掘工作面巷道瓦斯濃度沒有超限，則判斷檢測值與設定閾值的差值，選擇對應的控制模式，通過查詢模糊控制規則表，得到輸入變量對應的輸出頻率，經反模糊化后得到變頻器控制頻率，經加權平均處理后得到控制局部通風機的運行頻率。

圖4 智能局部通風機管控系統算法設計流程Fig.4 Process flow of algorithm of intelligent control system for local ventilator

5.2 程序設計

5.2.1 主程序設計

基于 CCS (Code Composer Studio) 集成開發環境，采用 C 語言進行局部通風管控系統程序設計。智能局部通風機管控系統主程序需完成的工作有：①完成 DSP 寄存器、變量、常量的定義、賦值；② 完成 PIE 中斷向量表、GPIO、EVB、A/D 模塊的初始化；③執行定時器周期中斷子程序；④ 比較并通過權重計算變頻器輸出頻率；⑤ 等待并執行中斷子程序并完成中斷子程序保護工作；⑥ 掃描系統的電壓、電流信號。

5.2.2 變頻調速程序設計

智能局部通風機管控系統變頻調速程序主要完成 DSP 控制器與變頻器的通信與控制。DSP 控制器根據通信協議，發送控制指令、運行模式、控制模式、最大轉速限制等指令，采用模糊控制算法，使得變頻器能夠根據綜掘工作面巷道內瓦斯等氣體濃度以及風速，實時調節局部通風機轉速。

5.2.3 控制模式程序設計

智能局部通風機管控系統控制模式分為自動通風模式、自動排瓦斯模式、手動工作模式 3 種。自動通風模式即在瓦斯濃度不超標的前提下，根據巷道內CO 含量、煤塵含量、溫度等條件綜合控制風機轉速。自動通風模式軟件流程如圖 5 所示。自動通風模式的運行條件為綜掘工作面迎頭、回風區瓦斯濃度低于設定閾值；綜掘工作面巷道瓦斯、溫度、CO 及煤塵含量任何一個監測點實時值超過設定閾值時，快速切換至自動排瓦斯模式。在自動排瓦斯模式運行下，當綜掘工作面迎頭瓦斯濃度 ＞ 1.5% 時，變頻調速裝置停止制動；當綜掘工作面迎頭瓦斯濃度、回風區瓦斯濃度小于設定閾值時，變頻調速裝置重新啟動。

圖5 自動通風模式軟件流程Fig.5 Process flow of software in automatic ventilation mode

自動排瓦斯模式的運行條件為任何一個監測點實時瓦斯濃度高于設定閾值；切換條件為所有監測點實時瓦斯濃度都小于設定閾值后，進入自動通風模式。自動排瓦斯模式軟件流程如圖 6 所示。手動工作模式的運行條件為通過按鈕硬切換至手動工作模式，變頻裝置輸出頻率與預設頻率一致，各處的瓦斯濃度不對變頻裝置輸出頻率產生影響。

圖6 自動排瓦斯模式軟件流程Fig.6 Process flow of software in automatic gas exhaust mode

5.2.4 人機界面程序設計

智能局部通風機管控系統人機界面程序設計基于組態軟件實現，DSP 控制器以 RS485 通信模式將局部通風機管控系統運行時的運行狀態數據、參數信息、故障信息等傳送至人機界面平臺。人機界面平臺根據約定的通信協議進行解析，并將解析后的數據存儲至本地內存。基于組態軟件設計主控制界面、運行狀態界面、參數設置界面、故障信息界面，將接收到的數據逆行實時顯示；同時，通過該人機界面可實現對局部通風機的啟停、無縫切換控制。

6 試驗驗證

以 FBDNo.6.3 型礦用隔爆型對旋軸流局部通風機進行試驗驗證，該局部通風機的額定功率為 2×30 kW，額定電壓為 660 V，額定電流為 32.9 A，額定頻率為 50 Hz，額定轉速為 2 950 r/min，輸出風量為 420～480 m3/min。利用 0～5 mA 電流信號發生器模擬瓦斯傳感器輸出信號；利用 0～200 mA 電流信號發生器模擬風速傳感器輸出信號，將風速控制在 1～2 m/s。通過修改電流信號發生器的輸入信號模擬綜掘工作面實際工況，得到不同的風機運行頻率，利用模糊控制算法得到實時的輸出頻率，根據綜掘巷道內瓦斯傳感器濃度在自動通風、自動排瓦斯以及手動模式之間切換。智能局部通風機管控系統如圖 7 所示。

圖7 智能局部通風機管控系統Fig.7 Intelligent control system for local ventilator

在試驗過程中，當回風巷道內瓦斯濃度≤0.6%，系統處于自動通風模式；當回風巷道內瓦斯濃度＞0.6% 且＜1.0% 時，系統處于自動通風模式，并根據T2、T3處的瓦斯濃度適當增加風機轉速，防止回風流處瓦斯積聚；當回風巷道內瓦斯濃度≥1.0% 時，系統處于自動排瓦斯模式，維持風機低速運行，防止回風流處瓦斯積聚，達到瓦斯超限排放的目的。智能局部通風管控系統根據瓦斯、風速傳感器采集量，基于模糊控制算法對局部通風機進行變頻調速控制，降低局部通風系統能耗，達到節能降耗的目的。

7 結語

針對綜掘工作面局部通風機智能建設問題，研究了綜掘工作面瓦斯涌出特點、局部通風機理論，基于 TMS320F28335 控制器完成局部通風機管控系統的總體設計、軟硬件設計以及試驗驗證。試驗驗證結果表明該局部通風管控系統提升了綜掘工作面通風監測系統的智能化水平，改變了“一風吹”現象，達到了通風監測系統智能化的目標。