梁 晨

(山西潞安檢測檢驗中心有限責(zé)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(chǎn)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(gòu)成威脅[1]。局部通風(fēng)機(jī)是確保煤礦掘進(jìn)工作面良好環(huán)境的重要措施，利用通風(fēng)機(jī)可以將井內(nèi)各種粉塵、有害氣體等排出礦井，同時向內(nèi)部輸入新鮮空氣[2-3]。對于瓦斯涌出量不穩(wěn)定的礦井，如果通風(fēng)機(jī)持續(xù)以高速度運行必然會造成能源浪費[4]。根據(jù)礦井內(nèi)的實際情況，比如瓦斯涌出量大小，對通風(fēng)機(jī)的運行速度進(jìn)行自動化控制。在確保井內(nèi)安全的情況下降低能源消耗[5-6]。

1 自動控制系統(tǒng)整體方案

設(shè)計的礦用局部通風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)最重要目標(biāo)是能夠根據(jù)礦井內(nèi)部的實際情況，對局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免通風(fēng)機(jī)長時間高功率運行，不僅不利于設(shè)備的長期穩(wěn)定運行，還會造成大量的能源浪費。圖1所示為根據(jù)該目標(biāo)設(shè)計的自動控制系統(tǒng)整體方案框圖。由于局部通風(fēng)機(jī)在確保煤礦安全方面發(fā)揮著非常重要的作用，一旦停止工作，則會威脅礦井內(nèi)部人員的安全。故在每個位置均設(shè)置有主通風(fēng)機(jī)和備用通風(fēng)機(jī)，且每臺通風(fēng)機(jī)均配備有一臺變頻器。作用是接受主控制器的控制，進(jìn)而改變通風(fēng)機(jī)設(shè)備供給電源頻率，實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)運行功率的準(zhǔn)確控制。

圖1 自動控制系統(tǒng)整體方案框圖

自動控制系統(tǒng)設(shè)置有瓦斯、煤塵和溫濕度傳感器，可以對井內(nèi)的實際情況進(jìn)行實時檢測，并將結(jié)果傳輸?shù)街骺刂破髦羞M(jìn)行分析與處理。一旦控制器判斷井內(nèi)存在危險，則會下達(dá)控制指令加大通風(fēng)機(jī)的運行功率，進(jìn)而加速井內(nèi)空氣的更換，確保井內(nèi)安全。相反的，如果井內(nèi)環(huán)境較為安全，則下達(dá)指令降低通風(fēng)機(jī)的運行功率，以達(dá)到節(jié)省能源并保護(hù)設(shè)備的目的。

另外，所有的數(shù)據(jù)信息都可以通過上位機(jī)連接的顯示大屏進(jìn)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(fēng)機(jī)可以調(diào)節(jié)的范圍，則系統(tǒng)會發(fā)出警報?？刂迫藛T可以通過遠(yuǎn)程的方式，對井下的主通風(fēng)機(jī)和備用通風(fēng)機(jī)進(jìn)行切換。

2 自動控制系統(tǒng)硬件選型設(shè)計

設(shè)計的自動控制系統(tǒng)中，最重要的硬件設(shè)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(shè)施進(jìn)行詳細(xì)的選型與設(shè)計。

2.1 主控制器

主控制器在本控制系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用是不言而喻的，所有傳感器檢測得到的數(shù)據(jù)信息都需要傳輸?shù)膫鞲衅髦羞M(jìn)行分析和處理，同時還要對所有變頻器進(jìn)行控制，進(jìn)而實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)運行功率的控制，還要與上位機(jī)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。選用的控制器必須要具備有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計算與傳輸能力，結(jié)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(xiàn)與外部設(shè)備的連接及數(shù)據(jù)的高速傳輸。在計算能力方面，具備有16級可編程優(yōu)先級、60個中斷、17個ADC通道串口，完全能夠滿足本控制系統(tǒng)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(yè)領(lǐng)域有比較廣泛的應(yīng)用，運行可靠性好，具有自保護(hù)功能，一旦出現(xiàn)故障問題會自動報警，非常適合礦井復(fù)雜的工作環(huán)境?？梢酝瑫r實現(xiàn)矢量和標(biāo)量控制，確?？刂七^程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)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(nèi)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?jié)舛葌鞲衅餍吞枮镵GJ16B，其工作原理主要是利用紅外裝置對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)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(yīng)礦井工作環(huán)境。粉塵傳感器選用的型號為GCG1000，作用是對井內(nèi)的煤塵濃度進(jìn)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(nèi)，運行過程可靠、穩(wěn)定，可以檢測的范圍為2 km，且可以接受遠(yuǎn)程控制。溫濕度傳感器選用的是GWSD100/100型號，可以同時對井內(nèi)的溫度和濕度兩種信號進(jìn)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(fēng)速傳感器選用的是GFY15B型號，作用是對井內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)量進(jìn)行實時檢測，并上傳到主控制器中，響應(yīng)時間可以控制在5 s范圍內(nèi)。

3 自動控制系統(tǒng)軟件分析

自動控制系統(tǒng)的軟件部分在LabVIEW軟件中進(jìn)行編寫與實現(xiàn)，通過軟件可以對硬件設(shè)施進(jìn)行控制與操作，實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的功能，同時還要將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示大屏中進(jìn)行顯示。登錄系統(tǒng)前用戶必須輸入對應(yīng)的賬號和密碼，否則無法進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行查看和操作，如圖3所示為進(jìn)入系統(tǒng)后的軟件界面。

圖4 自動控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

由圖可知，控制系統(tǒng)界面中顯示了多組通風(fēng)機(jī)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，每組通風(fēng)機(jī)包含有主通風(fēng)機(jī)和備用通風(fēng)機(jī)。界面中不僅顯示了當(dāng)前階段通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，還可以基于傳感器檢測得到的各項數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析，對未來一段時間需要的風(fēng)量進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而對通風(fēng)機(jī)的運行功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。軟件具有自動和手動兩種工作模式，自動模式下系統(tǒng)可以對主備通風(fēng)機(jī)進(jìn)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(fēng)機(jī)。

所有檢測得到的數(shù)據(jù)信息都會存儲到數(shù)據(jù)庫中，以便后續(xù)對井內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與分析。軟件中設(shè)置有環(huán)境參數(shù)界面，可以顯示井內(nèi)的具體環(huán)境參數(shù)，包括瓦斯?jié)舛?、煤塵濃度、環(huán)境溫度和濕度、井內(nèi)風(fēng)量和風(fēng)速等。一旦井內(nèi)環(huán)境過于復(fù)雜，通風(fēng)機(jī)無法有效調(diào)節(jié)與控制時則發(fā)出警報，提示工作人員及時撤離。

4 結(jié) 語

將設(shè)計的礦井局部通風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實踐中，并對其實踐運行效果進(jìn)行了連續(xù)6個月時間的觀察。運行效果顯著通風(fēng)機(jī)的實際輸出風(fēng)量可以在17 000～25 000 m3/min范圍內(nèi)自動化調(diào)整，有效保證了礦井內(nèi)部的環(huán)境安全，同時還降低了通風(fēng)機(jī)的能源消耗。安全效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著；自動系控制系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提升了煤礦的自動化水平，使用的各種硬件設(shè)施全部具有非常高的可靠性，提升了整個通風(fēng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。