礦井通風機安全自動控制系統的設計

和 磊

（晉能控股煤業集團煤峪口礦供電科，山西 大同 037003）

引言

在煤礦的開采過程中，會產生包含瓦斯在內的多種危險氣體，當超過一定濃度時，不僅對作業人員的安全造成威脅，還容易發生爆炸事故，影響煤礦的安全生產。在煤礦的生產中，工作面通風機是必不可少的設備，特別是在瓦斯等有害氣體濃度較高的位置，對于局部的通風機設備要求更高。由于煤礦設備的使用周期長，造成許多通風機設備管理落后，設備損壞或者不能依據現場的情況進行通風機的調整，造成了設備的可靠性差，浪費了一定的電能，為煤礦的開采帶來安全隱患[1]。進行煤礦等礦井的通風機自動控制系統的研究，可以依據現場的情況對通風機的運行進行實時的動態調整，保證作業人員和井下的安全，對于煤礦的安全生產具有重要的意義。

1 礦井通風機自動控制系統方案的設計

依據煤礦工作面內的實時氣體濃度進行通風機的自動調整是進行自動控制的關鍵，采用相應的傳感器對氣體濃度進行檢測，依據檢測的數據通過控制器的計算進行所需風量的預測，對不同的通風機進行控制，實現通風機的動態調整。通風機風量的預測調節通過調整通風機的轉速實現，對通風機的轉速調整依據巷道內的環境參數采用相應的控制算法進行預測[2]，從而實時對通風機參數進行調整。

通風機自動控制系統的結構圖如圖1所示，自動控制系統包括局部控制系統和供電系統，局部控制系統依據采集的信號數據進行計算，并將結果上傳至上位機，進行數據的顯示和監控；供電系統采用冗余設計的方式，保障系統的不間斷供電，并采用UPS作為不間斷供電應急設備，保證系統的持續工作能力。供電系統在為局部控制器提供供電的同時，在主控制器中對UPS的工作狀態設置相應的檢測，保證供電系統的可靠性[3]。

圖1 通風機自動控制系統結構圖

通風機自動控制系統實現通風機的自動調整，同時對電源的供電系統加強管理。其主要功能包括：對系統能夠進行初始化設置，在斷電后能夠自行恢復工作，依據上位機的指令對礦井內的環境數據進行采集與處理[4]；能夠依據采集的數據進行處理后，進行通風機電機的控制，實現風量的調整；具備通風機的遠程控制，可以對通風機的主備用切換，并對瓦斯氣體、粉塵等進行及時報警；冗余供電系統提供供電的可靠性保障，并通過主控制器采集相應的電壓、電流等數據，實現供電狀態的在線監測。自動控制系統的控制流程如下頁圖2所示，依據控制流程實現對通風機和供電系統的控制及監測。

圖2 通風機自動控制系統的控制流程圖

2 自動控制系統上位機監控系統的設計

采用Labview作為上位機的設計軟件，可以進行圖形化的界面編輯并進行數據的顯示及模擬，該軟件含有豐富的應用工具，可以實現數據的采集、傳輸和處理。在通風機的自動控制系統中，采用STM32對通風機的調速控制和電源的管理進行設計，對通風機的風量預測及處理采用MATLAB工具進行測算設計。在上位機的顯示中采用二者混合編程的形式進行顯示，通過Labview對MATLAB計算程序進行調用[5]。要實現兩者之間混合編程的形式，必須要采用COM接口的方式進行相互之間的通訊，STM32芯片采用RS232串口的形式與MATLAB之間通訊，而在STM32內部采用MAX3232進行高低電平的轉換獲得串口的通訊。

對上位機的圖形化顯示界面采用Labview進行編程設計，系統監控狀態可以分為通風機的運行狀態監控和電源管理系統的監控，其中通風機的運行狀態監控界面如圖3所示。從圖3所示的界面中，可以查看系統內所有的通風機的運行狀態，每組通風機采用用一備一的方式，可以查看當前的運行狀態，及對風量的預測。通過操作界面，還可以對主備用通風機進行切換及風量的調整。

圖3 通風機運行狀態監控界面

通風機的運行狀態依據環境的參數進行實時的調整，通過環境參數按鈕，可以查看當前的通風機運行巷道內的環境變化，如圖4所示的界面可以查看當前的瓦斯、煤塵的含量，及相應的環境參數，并能夠進行相應的報警。

圖4 通風機巷道環境參數界面

故障報表中提供了故障的時間、類型及處理等數據，可以增加控制系統的故障樣本，便于對系統進行維護。在電源管理系統的監控中，可以對供電的情況進行監控，查看UPS的運行狀態，并顯示其相應的環境溫度、充放電狀態等，便于對供電系統進行在線管理。

3 結語

通風機是煤礦等行業中進行通風作業的必備設備，特別是對于煤礦的開采，通風機的運行對于礦井的安全具有重要的作用。由于井下的環境復雜多變，實現通風機的自動調整具有重要的意義。對通風機安全自動控制系統進行設計，依據傳感器采集井下的數據，通過控制器的計算進行通風機的動態調整，并且設計了電源供電管理系統，保證控制系統的不間斷運行。依據控制系統的功能，設計了相應的上位機操作及監控界面，實現對整個通風機控制系統和電源供電系統的在線監測和管理。通過通風機的安全自動控制系統，可以實現對井下作業通風機的自動調整，保證了井下作業的安全性，并且依據環境進行動態的調整，可以節約通風機運行的電能，從而提高通風機的效率及可靠性。