煤礦巷道中智能化通風系統的應用研究

杜曉科

（山西潞安化工集團潞寧煤業有限責任公司，山西 忻州 036700）

1 智能通風系統結構組成

掘進巷道通風系統不僅關乎煤礦井下開采作業的安全，還與巷道掘進工期、效率等息息相關。煤礦智能通風系統的設計與應用，能夠實現對通風系統的智能監測與控制，提高煤炭巷道掘進的安全性和可靠性。基于某煤礦原有傳統通風系統改進設計的智能通風系統結構組成如圖1所示，包括傳感器、數據采集分站和上位機等，其中數據采集分站的作用至關重要，承擔著實時接收瓦斯傳感器感應數據信號的任務，同時也可將實時瓦斯數據傳輸至上位機進行顯示，可謂是智能通風系統設計的重中之重[1-3]。

圖1 智能通風系統結構組成

2 智能通風系統設計

采用傳統通風系統原有的瓦斯傳感器即可，此處不再贅述。傳統通風系統數據采集分站抗電磁干擾能力差，經常出現數據失真、數據傳輸滯后等問題，需要重點進行改進設計。智能通風系統數據采集分站基于DSP控制理論展開設計，采用以太網/CAN總線相結合的通信形式，以實現通風系統井下數據采集和實時通信。

2.1 數據采集分站硬件

2.1.1 主控制器

數據采集分站主控制器選擇型號為TMS320F2812DSP，配置TMS320FC2x系列的信號處理器，具有很好的操作性能和快速中斷響應處理能力，具有較高的計算精度和數據處理能力。片上4 kB啟動，18 kB高速，128 kB加密，數字算術表和2 kB OTPROM大大提高了靈活性。主控制器較高的集成性能，還具有很強的事件管理功能，支持嵌入式控制功能，適應于數據采集分站的設計要求。

2.1.2 通信模塊

數據采集分站通信選擇以太網，芯片型號為RTL8019AS，實現網口數據與外部網絡的數據通信。TCP/IP協議的使用提高了錯誤處理率。RTL8019AS芯片技術較為成熟，集成度高，成本低廉，支持DMA和FIFO雙通道數據管理，與此同時，支持IEEE802.3以太網和8/16接口的兩種用戶訪問協議。芯片供電電壓數值為3.3 V，與處理器的連接極為便捷。

2.1.3 數據采集模塊

TMS320F2812控制器在各個領域應用較多，極大地推動了CAN總線通信技術的應用于推廣，數據采集分站核心控制模塊為DSP，配置通用CAN總線通信模塊，CAN總線技術成熟，得到了各領域的認可，同時，使用過程中具有性能穩定、接口通用、功能實用和數據采集信號可擴展等優勢，為后續使用過程的升級改造提供了便利。數據采集模塊簡單看來就是DSP和CAN總線頻段接收器的組合體，滿足通風系統智能通信的要求。

2.1.4 電源模塊

TMS320F2812型號的控制器使用的驅動電壓數值為1.8 V，輸入/輸出接口的驅動電壓為3.3V，系統中CAN總線的驅動器所需供電電壓數值為3.3 V，系統中RTL8019AS型以太網控制芯片驅動電壓數值為5 V。因此，結合上述的供電需求，針對系統需要設計三種不同電壓數值的輸出接口。智能通風系統的主要供電電壓以5 V為主，之后采用TPS75733電路將5 V電壓轉變成3.3 V，采用TPS75718電路將5 V電壓轉變成1.8 V，以此滿足整個智能通風系統的電源需求。

2.2 數據采集分站軟件

2.2.1 通信模塊

智能通風系統通信模塊選擇的以太網通信控制芯片，其具體型號為RTL8019AS，具有接收和發送數據的功能。以太網通信數據接收和數據發送流程如圖2所示。由圖2-1可以看出通信系統數據接收的流程，系統首先對接收的數據進行ARP判斷，再進行應答處理，否則將數據發送至IP層解包，之后發送至UDP層解包，之后發送至應用層進行數據處理；由圖2-2可以看出通信系統數據發送的流程，數據以幀的形式發送，逐層進行UDP打包、IP打包，之后進行幀發送，最后完成RTL8019AS數據發送。

圖2 通信模塊運行流程

2.2.2 數據采集模塊

數據采集模塊使用的TMS320F2812處理器，內部配置了CAN模塊，便于數據采集模塊的軟件設計，圖3給出了數據采集模塊中CAN模塊發送數據和接收數據流程。由圖3-1可以看出數據發送時先進性CAN模塊初始化，之后設置發送消息請求，判斷TA是否為1，如果是1進行TA清除，開始數據發送。由圖3-2可以看出CAN模塊以郵箱數據形式接收，數據讀取完成立即清除中斷響應，隨后清除RMP，進行中斷返回準備，進行下一次的數據接收。

3 上位機設計

圖3 數據采集模塊運行流程

智能通風系統實現運行狀態顯示的窗口為上位機，配置在監控中心供監控人員監控。上位機通過與數據采集分站之間的信息傳輸，能夠完成對巷道通風系統的實時監測與遠程控制等功能，因此要求上位機具有很好的操作性和宜人性。為了能夠滿足上述要求，需要在上位機中進行掘進巷道布置圖的繪制，配置系統傳感器及IP地址，顯示傳感器實時數據，顯示智能通風系統運行狀態參數等功能。

4 系統應用

4.1 布置形式

為了驗證智能通風系統改進設計的合理性和可行性，將其應用于某煤礦巷道掘進通風系統中進行試運行，記錄運行情況，圖4給出了智能監控系統的布置情況。

圖4 智能控制系統布置

4.2 應用效果分析

智能通風系統運行過程中每隔2 min采集數據一次，實測數據100組，統計結果如圖5所示。T1濃度值從12組之后開始升高，由0.6%的理想值升高至1.38%峰值，為了降低瓦斯濃度，風機頻率由35 Hz升高至50 Hz。由20～35組數據變化趨勢可以看出瓦斯濃度得到了降低，說明智能通風系統起到了預期效果。從40組數據之后瓦斯濃度范圍為0.4%～0.8%，風機頻率30～40 Hz，相較于原風機頻率55 Hz降低了約27%，瓦斯濃度控制理想，風機工作穩定。相關統計結果顯示，局部通風機的平均轉速按傳統通風方式運行的70%計算，智能通風系統的應用，節約電能接近30%的，經濟效益相當可觀。

圖5 實測數據統計

5 結語

掘進巷道通風系統效果的好壞直接關系著井下作業環境的安全性，必須引起高度重視。針對某煤礦傳統巷道通風系統能耗較高的問題，開展了智能控制系統的設計與應用研究。結果表明，智能控制系統運行穩定可靠，滿足掘進巷道井下通風控制要求。應用結果顯示，相較于傳統通風系統，智能通風系統的應用，實現了對掘進巷道瓦斯濃度動態控制，風機的運行頻率降低了約27%，風機能耗節約了近30%，取得了很好的應用效果。