基于安全節(jié)能的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉玉龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全督察大隊(duì)五中隊(duì)，山西大同 037004）

煤礦重大安全事故中瓦斯事故占比約50%，預(yù)防瓦斯爆炸事故是煤礦安全生產(chǎn)的重中之重。瓦斯主要存在與煤層中，隨煤礦開采以涌出形式迅速釋放，如果瓦斯氣體在巷道狹窄有限空間內(nèi)積聚并達(dá)到一定濃度值后會發(fā)生爆炸事故。因此，需要采用煤礦通風(fēng)系統(tǒng)向狹窄巷道內(nèi)輸送氧氣同時(shí)將瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等有毒有害氣體排出，保證作業(yè)環(huán)境安全，保障工作人員身心健康。煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)普遍采用“一風(fēng)吹”模式，但是在高瓦斯礦井下，瓦斯?jié)舛葮O易發(fā)生變化，需根據(jù)瓦斯?jié)舛燃皶r(shí)改變通風(fēng)模式、通風(fēng)風(fēng)量，否則極易造成瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)[1-2]。根據(jù)瓦斯實(shí)時(shí)濃度，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)通風(fēng)控制系統(tǒng)，在保證工作安全性和通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的前提下，節(jié)約電能并達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。因此，研究適應(yīng)高瓦斯煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)預(yù)測需風(fēng)量并進(jìn)行智能調(diào)速，對于改善高瓦斯礦工作環(huán)境，保證安全生產(chǎn)具有重要的意義。國內(nèi)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)采用單極和雙極高壓軸流式通風(fēng)機(jī)，存在噪聲大、效率低、電能浪費(fèi)嚴(yán)重的問題；對旋式通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)合理、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)且工作效率高。國內(nèi)專家基于對旋式通風(fēng)機(jī)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)煤礦通風(fēng)控制系統(tǒng)，如文獻(xiàn)[3]提出一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法，能夠使得通風(fēng)風(fēng)量與瓦斯?jié)舛茸赃m應(yīng)匹配，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)動態(tài)調(diào)速并達(dá)到節(jié)約電能的目的；文獻(xiàn)[4]采用GK聚類算法與T-S模糊控制算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)協(xié)同調(diào)速功能，優(yōu)化通風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能；文獻(xiàn)[5]采用遺傳算法對傳統(tǒng)通風(fēng)機(jī)PID控制算法進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的動態(tài)調(diào)整。文章基于瓦斯?jié)舛扰c通風(fēng)量關(guān)系，設(shè)計(jì)風(fēng)量、瓦斯雙閉環(huán)模糊控制系統(tǒng)，解決低瓦斯?jié)舛葧r(shí)通風(fēng)風(fēng)量過大的問題，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)安全、節(jié)能工作，改善煤礦井下工作環(huán)境，保證煤礦井下安全生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)對采掘工作面巷道內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，瓦斯?jié)舛仁怯绊懲L(fēng)機(jī)風(fēng)量的核心因素，巷道內(nèi)一氧化碳濃度以及溫度是影響通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的非核心因素。因此，綜合考慮巷道內(nèi)瓦斯、一氧化碳、溫度三個(gè)因素，設(shè)計(jì)的基于安全節(jié)能的煤礦主通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，由風(fēng)量模糊控制閉環(huán)、瓦斯模糊控制閉環(huán)以及溫度/一氧化碳控制模塊組成，實(shí)時(shí)、動態(tài)調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量輸出。煤礦井下通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量與巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、溫度等相關(guān)。在采掘作業(yè)過程中，通風(fēng)控制系統(tǒng)周期性的采集瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌⒁谎趸紳舛葌鞲衅饕约皽囟葌鞲衅鲾?shù)據(jù)，并通風(fēng)量進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)，達(dá)到優(yōu)化通風(fēng)風(fēng)量、節(jié)能電能的目的。通風(fēng)電動機(jī)為變頻電機(jī)，設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)模糊控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)邏輯模塊后，直接控制變頻器輸出頻率，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩的目的。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于安全節(jié)能的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)用的硬件主要包括微控制器、變頻器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、粉塵濃度傳感器、溫度傳感器以及一氧化碳濃度傳感器。選用STM32F103VB 微控制器為核心處理器，該芯片配置有60 個(gè)中斷、16 級可編程優(yōu)先級、17 個(gè)DC 串口通信，轉(zhuǎn)換頻率最大為1MHz。外部可連接USB、CAN 總線通訊接口，滿足煤礦通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。選用礦用BPJ90-660型變頻器，能夠?qū)崿F(xiàn)開環(huán)、閉環(huán)同步矢量控制，調(diào)速效果好、靈活性強(qiáng)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)部障報(bào)警、安全保護(hù)等功能。該變頻器的額定電流為136A，變頻范圍為0～320Hz，調(diào)試方式為SPWM，可進(jìn)行標(biāo)量/矢量控制[6-7]。選用KGJ16B 型紅外瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，基于紅外檢測模式實(shí)時(shí)測量瓦斯氣體濃度，工作電壓為DC24V，工作電流為65mA，測量瓦斯?jié)舛确秶鸀?%～4%，可輸出200～1000Hz 的頻率信號或者1～5mA 的電流信號，測量精度小于±0.1%，響應(yīng)時(shí)間小于20s。選用GCG1000型粉塵濃度傳感器，該傳感器基于光散射原理對巷道內(nèi)的粉塵濃度進(jìn)行檢測并有自動零點(diǎn)校準(zhǔn)和軟起動功能，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控控制。該粉塵濃度傳感器的工作電壓為DC24V，工作電流小于250mA，可測量的粉塵濃度范圍為0～1000mg/m3，可輸出200～1000Hz頻率信號，也可輸出1～5mA電流信號，測量精確度小于等于±2.5%，有效檢測距離大于2000m[8]。選用GWSD100 型溫度傳感器，該傳感器可對巷道內(nèi)的溫度、濕度進(jìn)行檢測，靈敏度高、穩(wěn)定性好，有效測量距離大于2000m[9]。選用GFY15B 型一氧化碳傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、檢測精度高，滿足通風(fēng)系統(tǒng)控制要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于安全節(jié)能的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)軟件采用C++語言進(jìn)行編寫，并下載至STM32F103VB 微控制器運(yùn)行。根據(jù)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行模塊子程序劃分，主要包括系統(tǒng)上電及初始化子程序、上位機(jī)顯示子程序、通訊子程序、傳感器數(shù)據(jù)采集子程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、模擬量處理子程序、數(shù)字量延時(shí)子程序、變頻控制子程序、模糊控制子程序以及節(jié)能控制子程序等。圖2所示為煤礦通風(fēng)節(jié)能控制子程序，當(dāng)系統(tǒng)上電及初始化過程完成后，系統(tǒng)判斷通風(fēng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速是否為額定值，為非額定值后，經(jīng)延時(shí)處理并增加轉(zhuǎn)速；當(dāng)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛却笥?.2%后進(jìn)行瓦斯排放控制流程；當(dāng)瓦斯?jié)舛刃∮诘扔?.0%時(shí)，將通風(fēng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整至最大值；當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥?.0%時(shí)，進(jìn)入節(jié)能調(diào)速流程。

基于安全節(jié)能的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)的故障主要有電氣故障、機(jī)械故障以性能故障，如母線電壓中斷/跌落、軸承振動過大、風(fēng)量偏小等[10]，如圖3所示。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障信息會實(shí)時(shí)在上位機(jī)中進(jìn)行顯示并提出解決該故障的一般方法，以降低停機(jī)時(shí)間，保證煤礦安全生產(chǎn)。為保證煤礦通風(fēng)系統(tǒng)安全運(yùn)行，上位機(jī)登錄界面設(shè)計(jì)登錄權(quán)限，只有特定人員用于最高權(quán)限，普通技術(shù)/操作工只有查看權(quán)限。

4 測試及分析

根據(jù)MT-T 1071-2008、AQ1011-2005、MT/T 1107-2011 以及MT222-1996/2007 以及《煤礦安全規(guī)程》等文件對設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的基于安全節(jié)能的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行測試和分析，并形成表1試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。由表1可知，當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率由14.0～49.2Hz線性增加時(shí)，巷道瓦斯實(shí)時(shí)濃度值由0.2～1.1 線性增加，同時(shí)電動機(jī)的有功功率、功率因素也同步增加，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)電動機(jī)動態(tài)、實(shí)時(shí)調(diào)速并達(dá)到安全節(jié)能的目的。

表1 基于安全節(jié)能的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用提高了煤礦自動化水平，同時(shí)保證了煤礦生產(chǎn)安全、高效運(yùn)行。根據(jù)巷道內(nèi)瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體濃度，動態(tài)、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，當(dāng)瓦斯?jié)舛炔怀瑯?biāo)時(shí)，節(jié)能通風(fēng)；當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)，通風(fēng)電動機(jī)高效、穩(wěn)定運(yùn)行，在較短時(shí)間內(nèi)降低瓦斯?jié)舛?，改善工人勞動環(huán)境，保障安全生產(chǎn)。