张 晔

（晋能控股煤业集团永定庄煤业公司机电部，山西 大同 037000）

引言

随着煤炭资源需求量的不断增加，掘进工作日益繁重，井下作业环境的安全性现已引起了各界的广泛关注[1]。井下局部通风系统作为综采工作面中的关键组成部分，承担着排除井下高浓度有害气体、输送新鲜空气的重任，其工作的可靠性不仅关系井下作业的正常开展，还与井下矿工的生命健康息息相关[2-3]。局部通风机作为井下局部通风系统正常工作的关键设备，其技术的先进性和可靠性直接关系着井下作业的强度和人员配置，必须引起高度重视。目前使用中的局部通风机存在缺少调速功能、能源消耗大等问题，不能很好地适应当前较大较深综采工作面作业的要求。因此以某煤炭企业服役中的局部通风机为研究对象，开展智能控制系统设计与应用研究具有重要的意义。

1 局部通风机存在的问题

根据相关资料的查询和笔者工作经验，总结得出目前煤矿井下局部通风机存在的主要问题如下：第一是通风机一贯采用恒速运转模式，不能实时检测井下瓦斯等有毒有害气体的浓度，造成较大的能源浪费；第二是部分通风机虽然引进了变频调速技术，但调速的实时性和效果不佳，依然存在安全隐患；第三是控制操作方面需要人为进行控制，控制指令发出到执行的过程繁琐，不能保证时效性，同时，无法形成有效的远程控制和监视，造成大量人力物力浪费，自动化水平低。针对上述局部通风机实际存在的问题，结合笔者多年的工作经验，拟开展一套局部通风机智能控制系统设计，以提高煤矿井下局部通风机的工作可靠性，实现控制智能化的目的。

2 系统方案设计

针对目前服役局部通风机存在的控制问题，开展了智能控制系统的设计工作，完成了智能控制系统方案设计，如图1 所示。由图1 可以看出，局部通风机智能控制系统中主要包括两部分，分别为局部通风机控制系统与冗余供电系统。局部通风机控制系统主要通过相关的传感器元件实时采集综采工作面内部的环境因素参数，主要是瓦斯气体的浓度。主控制器通过分析采集得到的数据信息进行需风量的计算，及时调整局部通风机的风量，与此同时，将相关参数数据上传至上位机进行实时显示。冗余供电系统主要由多个UPS 电源组成，保障局部通风机控制系统掉电时也能够正常工作，主控制器中编制UPS 管理系统，将电源工作情况实时显示于上位机中供监控人员及时获取局部通风机工作的实时参数数据。

图1 智能控制系统方案

3 系统详细设计

3.1 硬件设计

3.1.1 控制器

局部通风机智能控制系统的核心组成部件为控制器，需要其具有强大的数据处理能力，才能确保局部通风机能够稳定可靠的控制运行。根据上述条件要求，选择了型号为STM32F103VB 的芯片作为智能控制系统的控制器，如下页图2 所示。STM32F103VB 芯片内部配置了多达60 个中断接口，并具有17 路的ADC 通道串口，能够实现1 MHz 的转换频率；同时具有很好的外接设备接口，包括USB 接口和CAN 总线接口两种，具备多种数据通讯的方式，可以实现数据的拷贝与远程控制能力。

图2 STM32F103VB 芯片

3.1.2 变频器

局部通风机调速控制拟采用变频器控制实现，结合局部通风机现有电机的参数与型号，选择了矿用BPJ 系列的90-660 变频器进行通风机的调速控制。该变频器工作过程中具有两种矢量控制模式，开环和闭环均可，调速效果好、可靠性高、响应时间短。同时，还具有故障报警、运行保护等附加功能，适合局部通风机智能控制系统要求。矿用BPJ 系列的90-660 变频器在局部通风机智能控制系统中采用的是交-直-交变频控制模式，其PWM硬件的接线原理如图3 所示。由图3 可以看出，整流环节采用的是整流桥，可将三相电流转换成直流电流，之后通过电阻和电容的组合电路完成直流电流的滤波与稳压处理；逆变环节采用的是逆变桥，可将直流电流转换为交流电流。

图3 PWM 硬件的接线原理

3.1.3 传感元件

综采工作面内部环境的瓦斯浓度检测选择红外瓦斯传感器，具体型号为KGJ16B，具备多种信号输出模式、检测精准，属于矿用隔爆本安型传感器。综采工作面粉尘浓度检测采用粉尘浓度传感器，型号为GCG1000，采用的是光散射原理实现综采工作面内煤尘浓度的检测，使用安全可靠。环境中的温湿度检测选择型号为GWSD100/100 的传感器，能够检测温度和湿度，具有检测灵敏稳定、测量范围宽等优势。局部通风机风速传感器选择双向型风速传感器，型号为GFY15B，具备实时检测与传输功能，还具有声光报警功能，具有很好的检测精度和可靠性，适合煤矿综采工作面实时风速的监测。

3.2 软件设计

3.2.1 主程序

局部通风机智能控制系统设计将要实现通风机的智能变频控制，也要保证系统控制器的供电可靠，设计了局部通风机智能控制系统主控制流程，如图4所示。由图4 可以看出，智能控制系统启动之后，首先对控制系统上电进行初始化处理，清除因断电引起的供电问题；之后系统根据上位机发出的控制指令同时开展综采工作面内环境参数数据的采集，传输至控制器进行处理，同时，也要采集冗余电源UPS 的工作情况；然后系统对采集得到的实时数据进行分析处理，计算得出综采工作面需要的通风量，将实时采集得到的参数数据和电源工作信息传输至上位机进行实时显示处理，实现了井下局部通风机实时监测与远程控制功能；根据通风量与变频器之间的控制关系，实时调整控制局部通风机的转速，实现煤矿井下综采工作面内部通风机智能控制功能，同时也实时监测冗余电源系统的工作情况。

图4 局部通风机智能控制系统主程序

3.2.2 上位机

依据局部通风机智能控制系统的要求，完成了上位机主界面的设计，如图5 所示，由图5 可以看出，智能控制系统工作过程中能够实时监控多台局部通风机，通过界面中的软按键实现不同局部通风机之间的切换；主界面中能够实时显示工作风机和备用风机的工作状态，也能够实时显示当前井下的当前风量和预测风量数值；工作模式包括两种，分别为自动模式和手动模式；监控人员能够根据需要通过风量设置位置进行局部通风机的远程参数设置。总体而言，局部通风机智能控制系统主界面具有很好的可操作性，能够满足智能监测系统的要求。

图5 智能控制系统上位机主界面

4 应用效果评价

为了验证局部通风机智能控制系统设计可行性，将其应用于某煤炭企业服役中的局部通风机中进行试运行，跟踪记录运行情况，结果表明，系统运行稳定可靠，能够实现局部通风机的变频智能控制功能。统计结果显示，相较于原控制系统，智能控制系统的应用，使单台局部通风机系统的月电能消耗降低了近14%，实现了局部通风机的自动控制和远程控制，节省了2～3 名设备操作人员和冗余电源的引入，极大提高了系统的工作可靠性，实现了掉电保护功能，降低了单台局部通风机近5%的故障停机时间，取得了很好的应用效果。