曹建文

1山西天地煤機裝備有限公司 山西太原 030006

2中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 030006

3煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室 山西太原 030006

瓦斯是煤礦井下安全防治的重中之重。煤礦井下瓦斯事故是由于掘進過程中煤層氣壓平衡破壞，瓦斯突然釋放出來，或游離于巷道內(nèi)部，或吸附于煤巖上。瓦斯積聚到一定濃度后遇明火發(fā)生燃燒或者爆炸，引發(fā)煤礦井下瓦斯事故。瓦斯事故是威脅煤礦井下安全生產(chǎn)的主要因素之一。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)生在綜掘工作面的瓦斯事故占總瓦斯事故的 70%～80%[1-2]。因此，需迫切研究局部通風管控系統(tǒng)解決綜掘工作面瓦斯安全問題。局部通風機是綜掘工作面的主要通風設備，負責稀釋、排放掘進過程釋放出的瓦斯，同時將新鮮空氣輸送至綜掘工作面，保證安全、良好的綜掘工作環(huán)境?；诖?，研究綜掘工作面局部通風機管控系統(tǒng)并完成試驗驗證和試運行，達到綜掘工作面安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)的目的。

1 綜掘工作面瓦斯涌出分析

綜掘工作面瓦斯從煤巖裂縫中涌出，涌出強度由低到高，伴隨少量水和刺激性氣味，不易被發(fā)現(xiàn)；瓦斯涌出量與煤層、巖層的瓦斯含量成正比，與地面大氣壓成反比，且與煤層開采深度、順序以及回采方式有關。當瓦斯涌出現(xiàn)象持續(xù)且局部通風風量不足時，易導致綜掘巷道內(nèi)部瓦斯積聚，帶來嚴重安全隱患。綜掘工作面瓦斯涌出區(qū)域有煤壁瓦斯、落煤瓦斯兩種[3-4]。

式中：V1為在t+1 時刻單位面積內(nèi)的瓦斯涌出強度，m3/(m2·min)；V0為t＝0 時刻瓦斯的解析強度，m3/(m2·min)；t為瓦斯涌出時間，min；α為瓦斯解析強度衰減系數(shù)；q為煤壁瓦斯涌出量，m3；D為煤壁外露面的周長，m；V為平均掘進速度，m/min；q0為煤壁瓦斯涌出強度，m3/(m2·min)；L為綜掘巷道的總長度，m。

落煤瓦斯即在外部作用力下，穩(wěn)定狀態(tài)煤層與原煤層發(fā)生分離，從高處落下并產(chǎn)生大小不一的裂隙，瓦斯從裂隙中涌出并在風力和瓦斯?jié)舛忍荻鹊淖饔孟掠咳刖C掘工作面。

式中：V2為單位面積內(nèi)單位質(zhì)量的落煤經(jīng)t+1 時刻后的瓦斯涌出強度，m3/(m2·min)；q1為落煤瓦斯涌出量，m3；S為綜掘巷道橫截面積，m2；γ為煤料密度，t/m3；W0為瓦斯原始含量，m3/t；Wc為殘存瓦斯含量，m3/t。

2 局部通風理論分析

綜掘工作面局部通風的目的是將掘進過程中產(chǎn)生的瓦斯、煤塵以及有毒有害氣體稀釋并排出巷道外部，保障綜掘巷道的通風效果和安全性。局部通風機的風量與轉(zhuǎn)速成正比，風壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即可通過控制局部通風機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)局部通風機風量的自適應控制。一般采用變頻調(diào)速原理，即通過控制電源頻率對局部通風機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。

式中：Eg為感應電動勢的有效值，V；f1為定子頻率，Hz；Ns為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；kNs為基波繞組系數(shù)；φm為每級的氣隙磁通，WB。

由式 (5) 可知，通過控制感應電動勢的有效值和定子頻率可實現(xiàn)對磁通的控制。根據(jù)實際應用經(jīng)驗，局部通風機變頻調(diào)速時的運行頻率能夠長期且穩(wěn)定保持在 25～50 Hz，達到節(jié)能降耗的目的[6-7]。

選擇局部通風機時需考慮綜掘工作面風量、風速、溫度、瓦斯涌出量、綜掘工作面實際工作人數(shù)等因素。優(yōu)選的局部通風機為對旋軸流局部通風機，具有雙機自動切換、風流風壓穩(wěn)定、通風效率高、噪音低等特點，能夠適應綜掘工作面惡劣工況，保證局部通風系統(tǒng)正常、穩(wěn)定、安全工作[5]。

3 總體設計

綜掘工作面智能局部通風機管控系統(tǒng)需具備的功能有：①可完成常用局部通風機與備用局部通風機的無縫自動切換；② 可實現(xiàn)局部通風風機的智能變頻調(diào)速；③可由地面監(jiān)控室調(diào)節(jié)局部通風機的運行和倒機試驗；④ 可完成局部通風機溫度、電流、瓦斯、風速、風量、煤塵、CO、CO2、振動等參數(shù)的監(jiān)測，當監(jiān)測數(shù)據(jù)超出安全閾值時可進行聲光語音報警；⑤ 地面監(jiān)控室可實時記錄局部通風機運行情況，對切換歷史、切換時間、切換耗時、供電情況、設備故障等進行記錄[8]；⑥ 局部通風機控制系統(tǒng)可直接接入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)。根據(jù)綜掘工作面智能局部通風機管控系統(tǒng)功能，總體設計結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 智能局部通風機管控系統(tǒng)總體設計結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of intelligent control system for local ventilator

4 硬件設計

4.1 硬件選型

綜掘工作面智能局部通風機管控系統(tǒng)的核心硬件包括 DSP 處理器、瓦斯以及風速傳感器等。

DSP 處理器型號為 TMS320F28335，32 位浮點型微處理器，配置有 88 個 GPIO 口、2 個 12 位 ADC、18 個 PWM 定時器、2 個 CAN 接口、3 個 SCI 接口、1 個 SPI 接口和 1 個 I2C 接口。該芯片具有能耗低、信號處理能力強、適應性強等特點，滿足智能局部通風機管控系統(tǒng)設計要求[9-10]。

瓦斯傳感器型號為 GJC4，測量范圍為 0～4%，通氣流量為 200 mL/min，頻率為 200～1 000 Hz，供電電壓為 DC 9～24 V。該傳感器采用載體催化元件，能夠精準檢測空氣中的瓦斯?jié)舛炔⑾蜿P聯(lián)設備發(fā)出信號，具有靈敏度高、非線性補償、聲光報警以及在線調(diào)零等特點[11]。

風速傳感器選用的型號為 GFW15，測量范圍為 0.4～15.0 m/s，測量誤差 ＜ 0.2 m/s；頻率為 200～1 000 Hz，工作電壓為 DC 9～24 V，可進行 4 位 LED 顯示，報警方式為斷續(xù)或聲光報警。該傳感器采用超聲波測量原理，利用單片機和高集成電路采集風速數(shù)據(jù)且掉電數(shù)據(jù)不丟失。

4.2 傳感器布置

綜掘工作面智能局部通風機管控系統(tǒng)的瓦斯、風速傳感器布置如圖 2 所示。T1布置于綜掘工作面巷道內(nèi)，距迎頭處 3～5 m；T2布置于綜掘工作面掘進巷道內(nèi)，距回風巷 10～15 m；T3布置于掘進巷道內(nèi)，距掘進巷道 10～15 m。瓦斯報警濃度設置為≥1.0%，瓦斯斷電濃度為≥1.5%，瓦斯復電濃度為＜1.0%。風速傳感器安裝于綜掘工作面巷道內(nèi)的回風流處，距迎頭處 10～15 m，用于監(jiān)測回風流處的風速。

圖2 綜掘工作面瓦斯、風速傳感器布置Fig.2 Layout of gas and wind speed sensor on comprehensively-mining work face

4.3 硬件電路設計

綜掘工作面智能局部通風機管控系統(tǒng)硬件電路設計需滿足局部通風管控系統(tǒng)模擬量采集與調(diào)理、通信、保護以及顯示功能，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 智能局部通風機管控系統(tǒng)硬件設計結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of hardware of intelligent control system for local ventilator

(1) 主控模塊 包括 GPIO 轉(zhuǎn)換電路、復位電路、時鐘電路以及 JTAG 電路等，滿足局部通風管控系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、邏輯判斷、輸出控制、計時復位等功能。

(2) 開關量輸入輸出模塊 用于處理管控系統(tǒng)中的按鈕、控制開關、繼電器、指示燈、斷路器信號；外擴光耦隔離器件，防止外部強電干擾和高壓信號進入 DSP 芯片。

(3) 模擬量采集調(diào)理模塊 利用運算放大器、電容電阻等元件對 4～20 mA 電流信號進行調(diào)理和濾波并轉(zhuǎn)換為 0～3 V 電壓信號，輸入到 DSP 芯片 A/D 轉(zhuǎn)換接口。

(4) 通信模塊 外擴 SP3485EN 低功耗半雙工芯片，設計 RS485 通信電路，用于 DSP 芯片與變頻器通信。外擴 ENC28J60 獨立以太網(wǎng)控制器，用于 DSP 芯片與井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)通信。

(5) 電源模塊 為適應井下供電電網(wǎng)電能質(zhì)量不穩(wěn)定的因素，由開關電源將 AC 36 V 整流降壓后輸出 DC 12 V，由線性穩(wěn)壓電源將 DC 12 V 逐級降壓至 5、3.3、1.8 V，為 DSP 芯片、液晶顯示屏、蜂鳴器等提供穩(wěn)定電源。

(6) 人機交互模塊 外擴 LDC1602 液晶顯示屏，實時顯示局部通風管控系統(tǒng)的運行參數(shù)、故障信息以及運行狀態(tài)。同時可通過液晶顯示屏上的按鈕進行遠程控制。

5 軟件設計

5.1 算法設計

智能局部通風機管控系統(tǒng)算法基于模糊控制器實現(xiàn)，其設計流程如圖 4 所示。根據(jù)局部通風管控系統(tǒng)設計要求設計模糊控制規(guī)則并寫入至 DSP 寄存器。當綜掘工作面巷道瓦斯?jié)舛葲]有超限，則判斷檢測值與設定閾值的差值，選擇對應的控制模式，通過查詢模糊控制規(guī)則表，得到輸入變量對應的輸出頻率，經(jīng)反模糊化后得到變頻器控制頻率，經(jīng)加權(quán)平均處理后得到控制局部通風機的運行頻率。

圖4 智能局部通風機管控系統(tǒng)算法設計流程Fig.4 Process flow of algorithm of intelligent control system for local ventilator

5.2 程序設計

5.2.1 主程序設計

基于 CCS (Code Composer Studio) 集成開發(fā)環(huán)境，采用 C 語言進行局部通風管控系統(tǒng)程序設計。智能局部通風機管控系統(tǒng)主程序需完成的工作有：①完成 DSP 寄存器、變量、常量的定義、賦值；② 完成 PIE 中斷向量表、GPIO、EVB、A/D 模塊的初始化；③執(zhí)行定時器周期中斷子程序；④ 比較并通過權(quán)重計算變頻器輸出頻率；⑤ 等待并執(zhí)行中斷子程序并完成中斷子程序保護工作；⑥ 掃描系統(tǒng)的電壓、電流信號。

5.2.2 變頻調(diào)速程序設計

智能局部通風機管控系統(tǒng)變頻調(diào)速程序主要完成 DSP 控制器與變頻器的通信與控制。DSP 控制器根據(jù)通信協(xié)議，發(fā)送控制指令、運行模式、控制模式、最大轉(zhuǎn)速限制等指令，采用模糊控制算法，使得變頻器能夠根據(jù)綜掘工作面巷道內(nèi)瓦斯等氣體濃度以及風速，實時調(diào)節(jié)局部通風機轉(zhuǎn)速。

5.2.3 控制模式程序設計

智能局部通風機管控系統(tǒng)控制模式分為自動通風模式、自動排瓦斯模式、手動工作模式 3 種。自動通風模式即在瓦斯?jié)舛炔怀瑯说那疤嵯?，根?jù)巷道內(nèi)CO 含量、煤塵含量、溫度等條件綜合控制風機轉(zhuǎn)速。自動通風模式軟件流程如圖 5 所示。自動通風模式的運行條件為綜掘工作面迎頭、回風區(qū)瓦斯?jié)舛鹊陀谠O定閾值；綜掘工作面巷道瓦斯、溫度、CO 及煤塵含量任何一個監(jiān)測點實時值超過設定閾值時，快速切換至自動排瓦斯模式。在自動排瓦斯模式運行下，當綜掘工作面迎頭瓦斯?jié)舛?＞ 1.5% 時，變頻調(diào)速裝置停止制動；當綜掘工作面迎頭瓦斯?jié)舛?、回風區(qū)瓦斯?jié)舛刃∮谠O定閾值時，變頻調(diào)速裝置重新啟動。

圖5 自動通風模式軟件流程Fig.5 Process flow of software in automatic ventilation mode

自動排瓦斯模式的運行條件為任何一個監(jiān)測點實時瓦斯?jié)舛雀哂谠O定閾值；切換條件為所有監(jiān)測點實時瓦斯?jié)舛榷夹∮谠O定閾值后，進入自動通風模式。自動排瓦斯模式軟件流程如圖 6 所示。手動工作模式的運行條件為通過按鈕硬切換至手動工作模式，變頻裝置輸出頻率與預設頻率一致，各處的瓦斯?jié)舛炔粚ψ冾l裝置輸出頻率產(chǎn)生影響。

圖6 自動排瓦斯模式軟件流程Fig.6 Process flow of software in automatic gas exhaust mode

5.2.4 人機界面程序設計

智能局部通風機管控系統(tǒng)人機界面程序設計基于組態(tài)軟件實現(xiàn)，DSP 控制器以 RS485 通信模式將局部通風機管控系統(tǒng)運行時的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、參數(shù)信息、故障信息等傳送至人機界面平臺。人機界面平臺根據(jù)約定的通信協(xié)議進行解析，并將解析后的數(shù)據(jù)存儲至本地內(nèi)存?；诮M態(tài)軟件設計主控制界面、運行狀態(tài)界面、參數(shù)設置界面、故障信息界面，將接收到的數(shù)據(jù)逆行實時顯示；同時，通過該人機界面可實現(xiàn)對局部通風機的啟停、無縫切換控制。

6 試驗驗證

以 FBDNo.6.3 型礦用隔爆型對旋軸流局部通風機進行試驗驗證，該局部通風機的額定功率為 2×30 kW，額定電壓為 660 V，額定電流為 32.9 A，額定頻率為 50 Hz，額定轉(zhuǎn)速為 2 950 r/min，輸出風量為 420～480 m3/min。利用 0～5 mA 電流信號發(fā)生器模擬瓦斯傳感器輸出信號；利用 0～200 mA 電流信號發(fā)生器模擬風速傳感器輸出信號，將風速控制在 1～2 m/s。通過修改電流信號發(fā)生器的輸入信號模擬綜掘工作面實際工況，得到不同的風機運行頻率，利用模糊控制算法得到實時的輸出頻率，根據(jù)綜掘巷道內(nèi)瓦斯傳感器濃度在自動通風、自動排瓦斯以及手動模式之間切換。智能局部通風機管控系統(tǒng)如圖 7 所示。

圖7 智能局部通風機管控系統(tǒng)Fig.7 Intelligent control system for local ventilator

在試驗過程中，當回風巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛取?.6%，系統(tǒng)處于自動通風模式；當回風巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛龋?.6% 且＜1.0% 時，系統(tǒng)處于自動通風模式，并根據(jù)T2、T3處的瓦斯?jié)舛冗m當增加風機轉(zhuǎn)速，防止回風流處瓦斯積聚；當回風巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛取?.0% 時，系統(tǒng)處于自動排瓦斯模式，維持風機低速運行，防止回風流處瓦斯積聚，達到瓦斯超限排放的目的。智能局部通風管控系統(tǒng)根據(jù)瓦斯、風速傳感器采集量，基于模糊控制算法對局部通風機進行變頻調(diào)速控制，降低局部通風系統(tǒng)能耗，達到節(jié)能降耗的目的。

7 結(jié)語

針對綜掘工作面局部通風機智能建設問題，研究了綜掘工作面瓦斯涌出特點、局部通風機理論，基于 TMS320F28335 控制器完成局部通風機管控系統(tǒng)的總體設計、軟硬件設計以及試驗驗證。試驗驗證結(jié)果表明該局部通風管控系統(tǒng)提升了綜掘工作面通風監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平，改變了“一風吹”現(xiàn)象，達到了通風監(jiān)測系統(tǒng)智能化的目標。