煤礦巷道中智能化通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

杜曉科

（山西潞安化工集團潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 036700）

1 智能通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

掘進巷道通風(fēng)系統(tǒng)不僅關(guān)乎煤礦井下開采作業(yè)的安全，還與巷道掘進工期、效率等息息相關(guān)。煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對通風(fēng)系統(tǒng)的智能監(jiān)測與控制，提高煤炭巷道掘進的安全性和可靠性?；谀趁旱V原有傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)改進設(shè)計的智能通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，包括傳感器、數(shù)據(jù)采集分站和上位機等，其中數(shù)據(jù)采集分站的作用至關(guān)重要，承擔(dān)著實時接收瓦斯傳感器感應(yīng)數(shù)據(jù)信號的任務(wù)，同時也可將實時瓦斯數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行顯示，可謂是智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的重中之重[1-3]。

圖1 智能通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2 智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

采用傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)原有的瓦斯傳感器即可，此處不再贅述。傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分站抗電磁干擾能力差，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真、數(shù)據(jù)傳輸滯后等問題，需要重點進行改進設(shè)計。智能通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分站基于DSP控制理論展開設(shè)計，采用以太網(wǎng)/CAN總線相結(jié)合的通信形式，以實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)井下數(shù)據(jù)采集和實時通信。

2.1 數(shù)據(jù)采集分站硬件

2.1.1 主控制器

數(shù)據(jù)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(yīng)處理能力，具有較高的計算精度和數(shù)據(jù)處理能力。片上4 kB啟動，18 kB高速，128 kB加密，數(shù)字算術(shù)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(yīng)于數(shù)據(jù)采集分站的設(shè)計要求。

2.1.2 通信模塊

數(shù)據(jù)采集分站通信選擇以太網(wǎng)，芯片型號為RTL8019AS，實現(xiàn)網(wǎng)口數(shù)據(jù)與外部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。TCP/IP協(xié)議的使用提高了錯誤處理率。RTL8019AS芯片技術(shù)較為成熟，集成度高，成本低廉，支持DMA和FIFO雙通道數(shù)據(jù)管理，與此同時，支持IEEE802.3以太網(wǎng)和8/16接口的兩種用戶訪問協(xié)議。芯片供電電壓數(shù)值為3.3 V，與處理器的連接極為便捷。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

TMS320F2812控制器在各個領(lǐng)域應(yīng)用較多，極大地推動了CAN總線通信技術(shù)的應(yīng)用于推廣，數(shù)據(jù)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(shù)成熟，得到了各領(lǐng)域的認可，同時，使用過程中具有性能穩(wěn)定、接口通用、功能實用和數(shù)據(jù)采集信號可擴展等優(yōu)勢，為后續(xù)使用過程的升級改造提供了便利。數(shù)據(jù)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(fēng)系統(tǒng)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(qū)動電壓數(shù)值為1.8 V，輸入/輸出接口的驅(qū)動電壓為3.3V，系統(tǒng)中CAN總線的驅(qū)動器所需供電電壓數(shù)值為3.3 V，系統(tǒng)中RTL8019AS型以太網(wǎng)控制芯片驅(qū)動電壓數(shù)值為5 V。因此，結(jié)合上述的供電需求，針對系統(tǒng)需要設(shè)計三種不同電壓數(shù)值的輸出接口。智能通風(fēng)系統(tǒng)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(zhuǎn)變成3.3 V，采用TPS75718電路將5 V電壓轉(zhuǎn)變成1.8 V，以此滿足整個智能通風(fēng)系統(tǒng)的電源需求。

2.2 數(shù)據(jù)采集分站軟件

2.2.1 通信模塊

智能通風(fēng)系統(tǒng)通信模塊選擇的以太網(wǎng)通信控制芯片，其具體型號為RTL8019AS，具有接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖2所示。由圖2-1可以看出通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收的流程，系統(tǒng)首先對接收的數(shù)據(jù)進行ARP判斷，再進行應(yīng)答處理，否則將數(shù)據(jù)發(fā)送至IP層解包，之后發(fā)送至UDP層解包，之后發(fā)送至應(yīng)用層進行數(shù)據(jù)處理；由圖2-2可以看出通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送的流程，數(shù)據(jù)以幀的形式發(fā)送，逐層進行UDP打包、IP打包，之后進行幀發(fā)送，最后完成RTL8019AS數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖2 通信模塊運行流程

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊使用的TMS320F2812處理器，內(nèi)部配置了CAN模塊，便于數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計，圖3給出了數(shù)據(jù)采集模塊中CAN模塊發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)流程。由圖3-1可以看出數(shù)據(jù)發(fā)送時先進性CAN模塊初始化，之后設(shè)置發(fā)送消息請求，判斷TA是否為1，如果是1進行TA清除，開始數(shù)據(jù)發(fā)送。由圖3-2可以看出CAN模塊以郵箱數(shù)據(jù)形式接收，數(shù)據(jù)讀取完成立即清除中斷響應(yīng)，隨后清除RMP，進行中斷返回準備，進行下一次的數(shù)據(jù)接收。

3 上位機設(shè)計

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊運行流程

智能通風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)運行狀態(tài)顯示的窗口為上位機，配置在監(jiān)控中心供監(jiān)控人員監(jiān)控。上位機通過與數(shù)據(jù)采集分站之間的信息傳輸，能夠完成對巷道通風(fēng)系統(tǒng)的實時監(jiān)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(tǒng)傳感器及IP地址，顯示傳感器實時數(shù)據(jù)，顯示智能通風(fēng)系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)等功能。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 布置形式

為了驗證智能通風(fēng)系統(tǒng)改進設(shè)計的合理性和可行性，將其應(yīng)用于某煤礦巷道掘進通風(fēng)系統(tǒng)中進行試運行，記錄運行情況，圖4給出了智能監(jiān)控系統(tǒng)的布置情況。

圖4 智能控制系統(tǒng)布置

4.2 應(yīng)用效果分析

智能通風(fēng)系統(tǒng)運行過程中每隔2 min采集數(shù)據(jù)一次，實測數(shù)據(jù)100組，統(tǒng)計結(jié)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?jié)舛?，風(fēng)機頻率由35 Hz升高至50 Hz。由20～35組數(shù)據(jù)變化趨勢可以看出瓦斯?jié)舛鹊玫搅私档停f明智能通風(fēng)系統(tǒng)起到了預(yù)期效果。從40組數(shù)據(jù)之后瓦斯?jié)舛确秶鸀?.4%～0.8%，風(fēng)機頻率30～40 Hz，相較于原風(fēng)機頻率55 Hz降低了約27%，瓦斯?jié)舛瓤刂评硐?，風(fēng)機工作穩(wěn)定。相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果顯示，局部通風(fēng)機的平均轉(zhuǎn)速按傳統(tǒng)通風(fēng)方式運行的70%計算，智能通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用，節(jié)約電能接近30%的，經(jīng)濟效益相當可觀。

圖5 實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

5 結(jié)語

掘進巷道通風(fēng)系統(tǒng)效果的好壞直接關(guān)系著井下作業(yè)環(huán)境的安全性，必須引起高度重視。針對某煤礦傳統(tǒng)巷道通風(fēng)系統(tǒng)能耗較高的問題，開展了智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究。結(jié)果表明，智能控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足掘進巷道井下通風(fēng)控制要求。應(yīng)用結(jié)果顯示，相較于傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)，智能通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了對掘進巷道瓦斯?jié)舛葎討B(tài)控制，風(fēng)機的運行頻率降低了約27%，風(fēng)機能耗節(jié)約了近30%，取得了很好的應(yīng)用效果。