矿用局部通风机自动控制系统设计及应用研究*

梁 晨

(山西潞安检测检验中心有限责任公司，山西 长治 046204)

0 引 言

我国绝大部分煤矿都处在地下，地下煤矿在开采过程中容易产生粉尘、瓦斯及其他有毒有害气体。对于这些粉尘和气体如果不加以处理，必然会对井下工作人员的身心健康，甚至生命构成威胁[1]。局部通风机是确保煤矿掘进工作面良好环境的重要措施，利用通风机可以将井内各种粉尘、有害气体等排出矿井，同时向内部输入新鲜空气[2-3]。对于瓦斯涌出量不稳定的矿井，如果通风机持续以高速度运行必然会造成能源浪费[4]。根据矿井内的实际情况，比如瓦斯涌出量大小，对通风机的运行速度进行自动化控制。在确保井内安全的情况下降低能源消耗[5-6]。

1 自动控制系统整体方案

设计的矿用局部通风机自动控制系统最重要目标是能够根据矿井内部的实际情况，对局部通风机的风速进行调节，避免通风机长时间高功率运行，不仅不利于设备的长期稳定运行，还会造成大量的能源浪费。图1所示为根据该目标设计的自动控制系统整体方案框图。由于局部通风机在确保煤矿安全方面发挥着非常重要的作用，一旦停止工作，则会威胁矿井内部人员的安全。故在每个位置均设置有主通风机和备用通风机，且每台通风机均配备有一台变频器。作用是接受主控制器的控制，进而改变通风机设备供给电源频率，实现通风机运行功率的准确控制。

图1 自动控制系统整体方案框图

自动控制系统设置有瓦斯、煤尘和温湿度传感器，可以对井内的实际情况进行实时检测，并将结果传输到主控制器中进行分析与处理。一旦控制器判断井内存在危险，则会下达控制指令加大通风机的运行功率，进而加速井内空气的更换，确保井内安全。相反的，如果井内环境较为安全，则下达指令降低通风机的运行功率，以达到节省能源并保护设备的目的。

另外，所有的数据信息都可以通过上位机连接的显示大屏进行显示，以便工作人员能随时掌握井下的实际情况。如果井下瓦斯、煤尘和温湿度等情况超过了通风机可以调节的范围，则系统会发出警报。控制人员可以通过远程的方式，对井下的主通风机和备用通风机进行切换。

2 自动控制系统硬件选型设计

设计的自动控制系统中，最重要的硬件设施主要包括主控制器、变频器以及各类传感器。因此，以下主要对这些硬件设施进行详细的选型与设计。

2.1 主控制器

主控制器在本控制系统中所发挥的作用是不言而喻的，所有传感器检测得到的数据信息都需要传输的传感器中进行分析和处理，同时还要对所有变频器进行控制，进而实现通风机运行功率的控制，还要与上位机设备进行数据传输。选用的控制器必须要具备有强大的数据计算与传输能力，结合实际情况选用的是STM32F103VB型控制器，如图2所示为该型号控制器的实物图片。该控制是具有非常丰富的外接接口，其中就包括CNN总线接口和USB高速接口可以实现与外部设备的连接及数据的高速传输。在计算能力方面，具备有16级可编程优先级、60个中断、17个ADC通道串口，完全能够满足本控制系统的运算需求。

图2 主控制器的实物图片

2.2 变频器

选用的变频器型号BPJ-90-660，该型号变频器在工业领域有比较广泛的应用，运行可靠性好，具有自保护功能，一旦出现故障问题会自动报警，非常适合矿井复杂的工作环境。可以同时实现矢量和标量控制，确保控制过程的准确性和稳定性。如图3所示为变频器的频率控制基本原理图。变频器的输入电压频率为50 Hz，输出的电压频率可以在0～320 Hz范围内变换。

图3 变频器控制基本原理框图

2.3 传感器

选用的瓦斯浓度传感器型号为KGJ16B，其工作原理主要是利用红外装置对瓦斯浓度进行检测。实践证明，该瓦斯传感器具有非常高的检测精度，具有防爆功能，可以适应矿井工作环境。粉尘传感器选用的型号为GCG1000，作用是对井内的煤尘浓度进行检测，运用的是光散射原理，因为空气中的粉尘浓度大小会对光的散射造成影响。该型号传感器同样具有很高的检测精度，精度可以控制在2.5%范围内，运行过程可靠、稳定，可以检测的范围为2 km，且可以接受远程控制。温湿度传感器选用的是GWSD100/100型号，可以同时对井内的温度和湿度两种信号进行实时检测，具有非常高的灵敏度。其温度和湿度检测范围分别为0～100 ℃和0～100%RH。风速传感器选用的是GFY15B型号，作用是对井内的风速和风量进行实时检测，并上传到主控制器中，响应时间可以控制在5 s范围内。

3 自动控制系统软件分析

自动控制系统的软件部分在LabVIEW软件中进行编写与实现，通过软件可以对硬件设施进行控制与操作，实现整个控制系统的功能，同时还要将相关的数据信息传输到上位机显示大屏中进行显示。登录系统前用户必须输入对应的账号和密码，否则无法进入系统进行查看和操作，如图3所示为进入系统后的软件界面。

图4 自动控制系统监控界面

由图可知，控制系统界面中显示了多组通风机的运行状态数据信息，每组通风机包含有主通风机和备用通风机。界面中不仅显示了当前阶段通风机的风量，还可以基于传感器检测得到的各项数据信息进行综合分析，对未来一段时间需要的风量进行预测，进而对通风机的运行功率进行调节。软件具有自动和手动两种工作模式，自动模式下系统可以对主备通风机进行自动切换，在手动模式下操作人员可以自由地选择主备通风机。

所有检测得到的数据信息都会存储到数据库中，以便后续对井内的数据进行查询与分析。软件中设置有环境参数界面，可以显示井内的具体环境参数，包括瓦斯浓度、煤尘浓度、环境温度和湿度、井内风量和风速等。一旦井内环境过于复杂，通风机无法有效调节与控制时则发出警报，提示工作人员及时撤离。

4 结 语

将设计的矿井局部通风机自动控制系统应用到煤矿工程实践中，并对其实践运行效果进行了连续6个月时间的观察。运行效果显著通风机的实际输出风量可以在17 000～25 000 m3/min范围内自动化调整，有效保证了矿井内部的环境安全，同时还降低了通风机的能源消耗。安全效益和经济效益显著；自动系控制系统的应用显著提升了煤矿的自动化水平，使用的各种硬件设施全部具有非常高的可靠性，提升了整个通风系统运行的稳定性。