通風機自動控制系統的設計及應用分析

焦文濤

（晉能控股集團有限公司潘家窯礦，山西 大同 037003）

在我國，地上很少有煤礦，幾乎都在地下，當開采地下煤礦時，極易有瓦斯、粉塵以及別的有害氣體產生。若不及時處理這些有害氣體與粉塵，那么就會影響井下所有工作人員的人身安全與健康。保證掘進工作面的環境比較良好的關鍵措施就是局部通風機，經過通風機來把井中的有害氣體、粉塵等從礦井中排出來，并將新鮮空氣輸入進去。就那些沒有穩定瓦斯涌出量的礦井而言，若通風機的運行速度在不短的時間內一直比較高，那么就會浪費能源。按照礦井的真實狀況，來自動控制其運行速度。以保證井中的安全為前提，來將能源消耗降低。

1 自動控制系統的整體設計方案

在對礦用局部通風機自動控制系統進行設計時，設計的主要目的就是可以按照礦井中里的真實狀況，來調節局部通風機此時的風速，防止通風機在不短的時間內一直高功率的運轉，這樣不但會對設備運行的穩定性有影響，也會有不少的能源浪費產生。圖1就是該設計目標的框圖。在保證煤礦穩定與安全方面，最主要的設備就是局部通風機，若局部通風機不在運行，那么就會對礦井中人員的人身安全產生威脅。所以，會將備用通風機與主通風機都設置在各個位置上，而且，將變頻器配備給了通風機。主要作用就是可以由主控制器來進行控制，然后將通風機所提供的電源頻率改變，使所控制的運轉功率更加準確。

圖1 自動控制系統整體方案框圖

將溫濕度、煤塵與瓦斯傳感器等設置到自動控制系統中，能夠實時檢測礦井中的真實狀況，還要把結果輸送至主控制器，并由主控制器來處理和分析。若有危險被控制器所判斷出，那么就會將其運行功率加大的控制指令下達下去，然后就會使井中的空氣快速更換，保證礦井的安全。與之相反，若井中的環境比較安全，就會將其運行功率減小的控制指令下達下去，這樣不但可以對能源進行節省，還可以對設備進行保護。

而且，連接到上位機的顯示大屏會將全部數據信息顯示出來，有利于工作人員實時了解井下真實狀況。若井下的溫濕度、煤塵、瓦斯等沒在通風機的調節范圍中，那么就會有警報從系統中發出來。遠程可以被控制人員用來切換備用通風機與主通風機。

2 設計與選型自動控制系統的硬件

在對自動控制系統進行設計時，所有的傳感器、變頻器、主控制器就構成了最關鍵的硬件設施。所以，下面就具體介紹了硬件設施的設計與選型。

2.1 主控制器的基本原理

就本控制系統而言，最重要的就是主控制器，全部傳感器經過檢測之后所得到的有關數據信息均要輸送至傳感器內，并由傳感器來處理與分析，于此同時，傳感器還要控制全部的變頻器，繼而可以控制其運行功率，并和上位機設備實施數據傳輸。在對控制器進行選擇時，一定要選擇傳輸能力與數據計算都比較強大的，和真實狀況相結合，所選用的控制器型號是STM32F103 VB，圖2 就是其主控器實物圖片。在該控制器中，外接接口還是比較豐富的，CAN 總線接口、USB高速接口這兩種接口就在該控制器中，這2種外接接口能夠連接外部設備與快速傳輸數據。就計算能力而言，ADC通道串口、中斷、可編程優先級都比較多，分別是17、60、16 級，可以使本控制系統在運算方面的需求得到滿足。

圖2 主控制器的實物圖片

2.2 變頻器的基本原理

在對變頻器進行選擇時，所選用的型號是BPJ-90-660、BPJ-90-660 型變頻器被普遍使用到工業領域中，具有較好的可靠性與自我保護功能，若出現故障，則馬上自動報警，適宜使用到不簡單的環境中。于此同時，還能夠將標量與矢量控制一起實現，在控制時，可以保證其穩定性與準確性。圖3就是變頻器控制基本原理框圖。從圖3得知，變頻器的輸出、輸入的電壓頻率分別是0～320Hz、50Hz，其輸入電壓頻率不變，其輸出電壓頻率能夠在上述范圍中改變。

圖3 變頻器控制基本原理框圖

2.3 傳感器的基本原理

在選擇瓦斯濃度傳感器時，所選擇的型號是KGJ16B、KGJ16B型。瓦斯濃度傳感器的工作原理就是選取紅外裝置來檢測瓦斯濃度。通過實踐得知，KGJ16B型號的瓦斯濃度傳感器的檢測精度比較高，防爆功能也存在于該瓦斯傳感器中，適應力強。在選擇粉塵傳感器時，所選擇的型號是GCG 1000，該粉塵傳感器的作用就是檢測井中煤塵的濃度，所使用的原理為光散射，那是因為光散射會受粉塵濃度的影響。檢測精度比較高也是該型號粉塵傳感器所具有的，能夠將精度控制到2.5%范圍中，使運行更加穩定與可靠，能夠檢測的距離是2km，并且遠程控制也被接受。在選擇溫濕度傳感器時，所選擇的型號是GWSD100/100，該型號溫濕度傳感器能夠同時檢測濕度與溫度信號，靈敏度比較高。其檢測的濕度與溫度的范圍對應是0%～100%RH、0℃～100℃。在選擇風速傳感器時，所選用的型號是GFY15B，其主要就是檢測井中的風量與風速，并把所檢測到的數據上傳至主控制器內，控制相應時間，控制到5s以內。

3 分析自動控制系統軟件

LabVIEW 軟件會實現和編寫自動控制系統軟件，軟件能夠操作和控制硬件設施，使控制系統的所有功能得以實現，于此同時，連接到上位機的顯示大屏會將全部數據信息顯示出來。用戶在登錄系統之前，一定要對密碼與賬號進行輸入，要不然就不能進到系統里面來操作與查看，圖4就是自動控制系統的監控界面。

圖4 自動控制系統監控界面

從圖4能夠看出，有很多組的通風機云狀情況數據信息顯示到控制系統界面中，備用通風機與主通風機存在于各個組的通風機中。在界面內，不但將通風機目前的風量進行了顯示，還以傳感器所檢測出的所有數據信息為基礎，來進行全面分析，預測后續一段時間對風量的需求量，繼而來調節其運行功率。手動與自動是軟件中的工作模式，當是自動模式時，能夠自動切換備用通風機與主通風機，當是手動模式時，備用通風機與主通風機的選擇比較自由。

檢測出的全部數據信息均存儲至數據庫內，方便之后分析和查詢數據。將環境參數界面設置到軟件內，該界面能夠將詳細環境參數顯示出來，風速、井中的風量、環境的濕度與溫度、煤塵的濃度、瓦斯濃度等構成了其環境參數。若井中的環境不再簡單，通風機就不能進行控制和調節時，就會將警報發出來，告訴工作人員馬上撤離。

4 結束語

對礦井局部通風機自動控制系統進行設計，并將其使用至煤礦工程的實踐內，還要6個月不間斷觀察其運行效果。在運行效果中，最明顯的是能夠自動調整通風機輸出的風量，且自動調整的通風機輸出量的范圍是17000～25000m3/min，可以確保礦井有安全的環境，于此同時還將能源消耗降低；在使用自動系控制系統之后，可以使其更加自動化，應用的所有硬件設施所具有的可靠性都是比較高的，使通風系統可以穩定運行。