礦井掘進面智能通風控制系統(tǒng)設計

摘要：為了實現(xiàn)對礦井局部通風機的穩(wěn)定控制、安全有效地排放瓦斯、瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)測等目標，本文結合單片機、CAN總線等技術設計了一種礦井掘進面智能通風控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)構成、參數(shù)采集方案與智能控制策略。試驗表明，本系統(tǒng)具有實時性強、可靠性高等特點，顯著提高了礦井通風控制的智能化，大大降低了生產(chǎn)中的安全隱患。

關鍵詞：通風；智能控制；STM32F103；瓦斯監(jiān)測；CAN總線

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2011.08.008

瓦斯是困擾煤礦安全高效生產(chǎn)的主要問題之一，煤礦事故70％以上是由于通風設備故障、通風管理不善造成的。對掘進工作面局部通風機的穩(wěn)定控制則是解決此問題的關鍵。

智能控制系統(tǒng)的功能分析

根據(jù)實際掘進面巷道工況的需求和《煤礦安全規(guī)程》對局扇“三專兩閉鎖”方式的使用要求、并借鑒國內(nèi)外相關系統(tǒng)的優(yōu)點，智能通風控制系統(tǒng)應具備以下功能。

(1)安全排放瓦斯

在瓦斯的排放過程中為了不污染瓦斯未積聚區(qū)域，瓦斯排放要求在監(jiān)控瓦斯?jié)舛鹊臈l件下緩慢地進行。本智能通風控制系統(tǒng)的首要功能是根據(jù)不同的瓦斯?jié)舛确植记闆r，選擇合理的瓦斯排放措施，達到安全有效地排放瓦斯的目標。

(2)雙機準熱備控制模式

實現(xiàn)兩雙兩自動，即在掘進巷道中一個掘進工作面必須設置兩臺同型號同功率的局扇，一臺正常運轉(zhuǎn)，另一臺可靠備用。當一臺局扇因線路停電或出現(xiàn)故障等原因停止運轉(zhuǎn)時，使另一臺局扇能夠自動起車，自動換風，以保證供風的連續(xù)性，以確保煤礦的安全生產(chǎn)。

(3)掘進面風機故障處理

智能通風控制系統(tǒng)應在不影響負載運行的情況下檢修風機開關的控制系統(tǒng)，并且要求檢修側(cè)完全斷電，真正做到不停風檢修，保證生產(chǎn)正常進行，從根本上杜絕帶電檢修的危險性。

(4)掘進巷道瓦斯?jié)舛葘崟r監(jiān)測

掘進面巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛刃畔ⅲ侵悄芸刂葡到y(tǒng)的一個重要控制依據(jù)，因此準確實時的監(jiān)測瓦斯?jié)舛仁潜鞠到y(tǒng)的又一個重要功能。

(5)節(jié)能

在實際使用時，通風機功率一般都偏大，造成電能的巨大浪費。智能通風控制系統(tǒng)應根據(jù)不同的巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛惹闆r，進行風量的自動調(diào)節(jié)起到節(jié)能的作用。

智能控制系統(tǒng)的硬件結構

掘進面智能通風控制系統(tǒng)由以下三部分組成：井下局扇電磁啟動器、瓦斯實時監(jiān)測系統(tǒng)和地面集控中心。整個控制系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

掘進面智能通風控制系統(tǒng)具有中文人機界面顯示、變頻調(diào)速、雙機準熱備控制模式、風量的閉環(huán)控制、靈活的參數(shù)設定方式、完善的報警提示以及故障診斷功能，同時提供設備的實時運行狀態(tài)信息。

局扃電磁啟動器的設計

目前，公知的煤礦掘進工作面對風機控制通常采用兩臺真空隔爆型電磁起動器帶動兩部風機，其占地面積大，系統(tǒng)接線復雜，系統(tǒng)事故點多，不易維修。

本系統(tǒng)中新型礦用隔爆四回略智能電磁啟動器以STM32F103ZET6單片機為中央控制器，檢測電機過載、斷相、短路、漏電等故障。用戶可以通過一個液晶顯示模塊對電磁啟動器的各種參數(shù)進行設定，電磁啟動器的各種工作狀態(tài)和故障信息通過這個液晶顯示模塊進行顯示。單片機對外部的各種情況進行判斷，并根據(jù)用戶所設定的運行參數(shù)對四臺軸流對旋風機進行自動控制。STM32系列基于Cortex-M3內(nèi)核，專門設計以滿足集成度高、低功耗、實時應用并具有競爭價格，STM32F103ZET6是STM32F103系列32位單片機資源配置最為豐富的一員。

硬件系統(tǒng)的設計

新型礦用隔爆四回路智能電磁啟動器的硬件系統(tǒng)由主電路和控制電路組成，主電路由隔離換向開關、真空接觸器連接而成，控制電路以單片機為核心，主要包括電源供給單元、信號形成采集單元、開關量輸入輸出單元、中央處理單元、人機交互單元、通訊單元和語音報警單元等。以繼電器為輸出負載，輸入信號為按鈕、轉(zhuǎn)換開關和過載、漏電、斷相、過流故障信號。所有電路均安裝布置在一個封閉的隔爆金屬腔體內(nèi)部，操作按鈕和轉(zhuǎn)換開關在腔體外部可以操作。控制電路框圖如圖2所示。

控制軟件

局扇自動切換控制可實現(xiàn)程控全自動控制程序。主機設備啟動運行后：如果主機設備發(fā)生故障，系統(tǒng)停止主機設備的運行：經(jīng)過設定的延時時間后，自動啟動備機設備：如果主機設備掉電，當?shù)綦姇r間小于25重新上電，系統(tǒng)維持主機設備的運行狀態(tài)：當?shù)綦姇r間大于25則停止主機設備的運行，系統(tǒng)經(jīng)過設定的延時時間后，自動啟動備機設備。程控全自動動作流程圖如圖3所示。

瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)融合算法

基于CAN總線的數(shù)據(jù)融合多傳感器瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)采用多傳感器數(shù)據(jù)自適應加權融合估計算法，在不知道任何傳感器測量數(shù)據(jù)先驗知識的條件下，可以從含有觀測噪聲的測量數(shù)據(jù)中得到被測量的最小均方誤差估計值。該方法不但充分利用了傳感器的測量數(shù)據(jù)，還將傳感器的均方誤差、測量精度等信息融合處理，快速、準確地估計出真值，提高了測量精度，擴大了觀測范圍。該估計算法可以大幅度提高瓦斯?jié)舛葴y量的可信度。

設有一個多傳感器檢測系統(tǒng)。其中N個傳感器對某一被測對象進行采樣檢測，數(shù)據(jù)融合估計模型如圖4所不。

多傳感器數(shù)據(jù)自適應加權融合估計算法會根據(jù)數(shù)據(jù)的精度參數(shù)確定對所處理的不等精度數(shù)據(jù)，在已知各數(shù)據(jù)的精度參數(shù)時，為了確定各數(shù)據(jù)應得的權數(shù)，可把這些不等精度數(shù)據(jù)看成相當于在等精度測量條件下，由于測量次數(shù)不同而構成的不等精度，把各數(shù)據(jù)給出的精度參數(shù)看成相當于只是測量次數(shù)不同而得出的測量結果的精度參數(shù)。方差小的傳感器所對應的權系數(shù)大，而方差大的傳感器所對應的權系數(shù)小。

硬件設計

CAN-BUS采用雙線串行通信方式，具有通信速率高，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作，容易實現(xiàn)，性價比高等諸多特點，已成為國際標準的現(xiàn)場總線。CAN-BUS用于工業(yè)通訊系統(tǒng)中，不僅可以增強系統(tǒng)通訊的可靠性和通訊距離，還能增強系統(tǒng)的實時性。STM32F103ZET6片內(nèi)集成CAN控制器，系統(tǒng)只需在外部擴展一個CAN收發(fā)器就可以實現(xiàn)CAN通訊。

系統(tǒng)選用廣州致遠公司生產(chǎn)的CTM8251AT通用CAN隔離收發(fā)器，內(nèi)部集成了所有必需的電氣元件：包括通訊隔離電路、電源隔離電路、CAN接收器、總線保護等。CTM8251AT將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且具有電壓隔離、ESD保護功能及TVS管防總線過壓保護功能。接口電路如圖5所示。

瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能

(1)為掘進面智能通風控制策略提供瓦斯?jié)舛刃畔⒁罁?jù)，合理選擇瓦斯?jié)舛鹊臏y量位置，有效地提高了瓦斯?jié)舛确植紶顩r監(jiān)測的準確性。

(2)對掘進工作面模擬巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛确植记闆r進行實時監(jiān)測：瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)將多個瓦斯傳感器采集的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳遞給單片機，由單片機進行存儲并將實時瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給地面集控中心進行分析。

(3)掘進面模擬巷道內(nèi)實時瓦斯平均濃度的估計分析：瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)使用了自適應加權算法多傳感器數(shù)據(jù)融合技術，該技術利用多個瓦斯傳感器共同或聯(lián)合的操作優(yōu)勢，提高掘進面巷道瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)對巷道瓦斯平均濃度估計分析的有效性、準確性，消除單個或少量傳感器的局限性。當單個瓦斯傳感器發(fā)生故障時，瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)對于整個模擬巷道內(nèi)瓦斯平均濃度的分析具有容錯性。

智能控制策略

地面集控中心采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡智能控制策略，以變化的瓦斯?jié)舛葹閰⒘浚詣印⒋蠓秶剡B續(xù)調(diào)節(jié)局部通風機轉(zhuǎn)速，使其在最佳的工況條件下運轉(zhuǎn)，合理地控制模擬巷道內(nèi)的風量，這樣能夠大量節(jié)省局部通風機由于長期恒速運轉(zhuǎn)造成的能量浪費，同時也自動地將瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶畠?nèi)。

風量控制模式為風量閉環(huán)控制。對礦井掘進面瓦斯?jié)舛瓤煽糠€(wěn)定的控制是保證煤礦掘進面安全生產(chǎn)的關鍵，掘進面風機的風量是重要的控制參數(shù)。采用變頻調(diào)速技術，可以有很好的節(jié)能效果，更重要的是通過變頻技術實現(xiàn)對風機電動機轉(zhuǎn)速的改變以直接調(diào)節(jié)風量、風壓大小，保證煤礦掘進面瓦斯的安全排放和充足的供氧量，并達到人性化供風的目標。掘進面智能通風控制系統(tǒng)的風量控制策略圖如圖6所示。

掘進面智能通風控制系統(tǒng)根據(jù)掘進面工作現(xiàn)場狀況設定一個初始值，反饋信號由局扇風量實際值和瓦斯?jié)舛葘嶋H值通過風量傳感器和瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測提供，這兩個輸入信號首先傳輸給上位機中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡控制器，由其進行分析并向單片機給出控制信號，再由單片機向變頻器給出信號，以控制電動機的轉(zhuǎn)速，達到自動控制風量，穩(wěn)定控制瓦斯?jié)舛取⒐┭趿康哪康摹?/p>

結論

本文給出了掘進面智能控制系統(tǒng)的總體設計方案，詳細介紹了新型智能隔爆四回路電磁啟動器和基于CAN總線的數(shù)據(jù)融合多傳感瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設計。在控制系統(tǒng)結構方面，上位機與井下單片機控制站通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)技術，保證上下位機數(shù)據(jù)的快速準確傳輸。