礦井局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

張 曄

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司機(jī)電部，山西 大同 037000）

引言

隨著煤炭資源需求量的不斷增加，掘進(jìn)工作日益繁重，井下作業(yè)環(huán)境的安全性現(xiàn)已引起了各界的廣泛關(guān)注[1]。井下局部通風(fēng)系統(tǒng)作為綜采工作面中的關(guān)鍵組成部分，承擔(dān)著排除井下高濃度有害氣體、輸送新鮮空氣的重任，其工作的可靠性不僅關(guān)系井下作業(yè)的正常開展，還與井下礦工的生命健康息息相關(guān)[2-3]。局部通風(fēng)機(jī)作為井下局部通風(fēng)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)的先進(jìn)性和可靠性直接關(guān)系著井下作業(yè)的強(qiáng)度和人員配置，必須引起高度重視。目前使用中的局部通風(fēng)機(jī)存在缺少調(diào)速功能、能源消耗大等問題，不能很好地適應(yīng)當(dāng)前較大較深綜采工作面作業(yè)的要求。因此以某煤炭企業(yè)服役中的局部通風(fēng)機(jī)為研究對象，開展智能控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究具有重要的意義。

1 局部通風(fēng)機(jī)存在的問題

根據(jù)相關(guān)資料的查詢和筆者工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)得出目前煤礦井下局部通風(fēng)機(jī)存在的主要問題如下：第一是通風(fēng)機(jī)一貫采用恒速運(yùn)轉(zhuǎn)模式，不能實(shí)時檢測井下瓦斯等有毒有害氣體的濃度，造成較大的能源浪費(fèi)；第二是部分通風(fēng)機(jī)雖然引進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)，但調(diào)速的實(shí)時性和效果不佳，依然存在安全隱患；第三是控制操作方面需要人為進(jìn)行控制，控制指令發(fā)出到執(zhí)行的過程繁瑣，不能保證時效性，同時，無法形成有效的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視，造成大量人力物力浪費(fèi)，自動化水平低。針對上述局部通風(fēng)機(jī)實(shí)際存在的問題，結(jié)合筆者多年的工作經(jīng)驗(yàn)，擬開展一套局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計，以提高煤礦井下局部通風(fēng)機(jī)的工作可靠性，實(shí)現(xiàn)控制智能化的目的。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

針對目前服役局部通風(fēng)機(jī)存在的控制問題，開展了智能控制系統(tǒng)的設(shè)計工作，完成了智能控制系統(tǒng)方案設(shè)計，如圖1 所示。由圖1 可以看出，局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)中主要包括兩部分，分別為局部通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)與冗余供電系統(tǒng)。局部通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)主要通過相關(guān)的傳感器元件實(shí)時采集綜采工作面內(nèi)部的環(huán)境因素參數(shù)，主要是瓦斯氣體的濃度。主控制器通過分析采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行需風(fēng)量的計算，及時調(diào)整局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，與此同時，將相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示。冗余供電系統(tǒng)主要由多個UPS 電源組成，保障局部通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)掉電時也能夠正常工作，主控制器中編制UPS 管理系統(tǒng)，將電源工作情況實(shí)時顯示于上位機(jī)中供監(jiān)控人員及時獲取局部通風(fēng)機(jī)工作的實(shí)時參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖1 智能控制系統(tǒng)方案

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 控制器

局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)的核心組成部件為控制器，需要其具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，才能確保局部通風(fēng)機(jī)能夠穩(wěn)定可靠的控制運(yùn)行。根據(jù)上述條件要求，選擇了型號為STM32F103VB 的芯片作為智能控制系統(tǒng)的控制器，如下頁圖2 所示。STM32F103VB 芯片內(nèi)部配置了多達(dá)60 個中斷接口，并具有17 路的ADC 通道串口，能夠?qū)崿F(xiàn)1 MHz 的轉(zhuǎn)換頻率；同時具有很好的外接設(shè)備接口，包括USB 接口和CAN 總線接口兩種，具備多種數(shù)據(jù)通訊的方式，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的拷貝與遠(yuǎn)程控制能力。

圖2 STM32F103VB 芯片

3.1.2 變頻器

局部通風(fēng)機(jī)調(diào)速控制擬采用變頻器控制實(shí)現(xiàn)，結(jié)合局部通風(fēng)機(jī)現(xiàn)有電機(jī)的參數(shù)與型號，選擇了礦用BPJ 系列的90-660 變頻器進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的調(diào)速控制。該變頻器工作過程中具有兩種矢量控制模式，開環(huán)和閉環(huán)均可，調(diào)速效果好、可靠性高、響應(yīng)時間短。同時，還具有故障報警、運(yùn)行保護(hù)等附加功能，適合局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)要求。礦用BPJ 系列的90-660 變頻器在局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)中采用的是交-直-交變頻控制模式，其PWM硬件的接線原理如圖3 所示。由圖3 可以看出，整流環(huán)節(jié)采用的是整流橋，可將三相電流轉(zhuǎn)換成直流電流，之后通過電阻和電容的組合電路完成直流電流的濾波與穩(wěn)壓處理；逆變環(huán)節(jié)采用的是逆變橋，可將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流。

圖3 PWM 硬件的接線原理

3.1.3 傳感元件

綜采工作面內(nèi)部環(huán)境的瓦斯?jié)舛葯z測選擇紅外瓦斯傳感器，具體型號為KGJ16B，具備多種信號輸出模式、檢測精準(zhǔn)，屬于礦用隔爆本安型傳感器。綜采工作面粉塵濃度檢測采用粉塵濃度傳感器，型號為GCG1000，采用的是光散射原理實(shí)現(xiàn)綜采工作面內(nèi)煤塵濃度的檢測，使用安全可靠。環(huán)境中的溫濕度檢測選擇型號為GWSD100/100 的傳感器，能夠檢測溫度和濕度，具有檢測靈敏穩(wěn)定、測量范圍寬等優(yōu)勢。局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)速傳感器選擇雙向型風(fēng)速傳感器，型號為GFY15B，具備實(shí)時檢測與傳輸功能，還具有聲光報警功能，具有很好的檢測精度和可靠性，適合煤礦綜采工作面實(shí)時風(fēng)速的監(jiān)測。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 主程序

局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計將要實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的智能變頻控制，也要保證系統(tǒng)控制器的供電可靠，設(shè)計了局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)主控制流程，如圖4所示。由圖4 可以看出，智能控制系統(tǒng)啟動之后，首先對控制系統(tǒng)上電進(jìn)行初始化處理，清除因斷電引起的供電問題；之后系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的控制指令同時開展綜采工作面內(nèi)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，傳輸至控制器進(jìn)行處理，同時，也要采集冗余電源UPS 的工作情況；然后系統(tǒng)對采集得到的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計算得出綜采工作面需要的通風(fēng)量，將實(shí)時采集得到的參數(shù)數(shù)據(jù)和電源工作信息傳輸至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示處理，實(shí)現(xiàn)了井下局部通風(fēng)機(jī)實(shí)時監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制功能；根據(jù)通風(fēng)量與變頻器之間的控制關(guān)系，實(shí)時調(diào)整控制局部通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)煤礦井下綜采工作面內(nèi)部通風(fēng)機(jī)智能控制功能，同時也實(shí)時監(jiān)測冗余電源系統(tǒng)的工作情況。

圖4 局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)主程序

3.2.2 上位機(jī)

依據(jù)局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)的要求，完成了上位機(jī)主界面的設(shè)計，如圖5 所示，由圖5 可以看出，智能控制系統(tǒng)工作過程中能夠?qū)崟r監(jiān)控多臺局部通風(fēng)機(jī)，通過界面中的軟按鍵實(shí)現(xiàn)不同局部通風(fēng)機(jī)之間的切換；主界面中能夠?qū)崟r顯示工作風(fēng)機(jī)和備用風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，也能夠?qū)崟r顯示當(dāng)前井下的當(dāng)前風(fēng)量和預(yù)測風(fēng)量數(shù)值；工作模式包括兩種，分別為自動模式和手動模式；監(jiān)控人員能夠根據(jù)需要通過風(fēng)量設(shè)置位置進(jìn)行局部通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置。總體而言，局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)主界面具有很好的可操作性，能夠滿足智能監(jiān)測系統(tǒng)的要求。

圖5 智能控制系統(tǒng)上位機(jī)主界面

4 應(yīng)用效果評價

為了驗(yàn)證局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計可行性，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)服役中的局部通風(fēng)機(jī)中進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄運(yùn)行情況，結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)的變頻智能控制功能。統(tǒng)計結(jié)果顯示，相較于原控制系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使單臺局部通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的月電能消耗降低了近14%，實(shí)現(xiàn)了局部通風(fēng)機(jī)的自動控制和遠(yuǎn)程控制，節(jié)省了2～3 名設(shè)備操作人員和冗余電源的引入，極大提高了系統(tǒng)的工作可靠性，實(shí)現(xiàn)了掉電保護(hù)功能，降低了單臺局部通風(fēng)機(jī)近5%的故障停機(jī)時間，取得了很好的應(yīng)用效果。