矿井掘进面智能通风控制系统设计

摘要：为了实现对矿井局部通风机的稳定控制、安全有效地排放瓦斯、瓦斯浓度的实时监测等目标，本文结合单片机、CAN总线等技术设计了一种矿井掘进面智能通风控制系统，介绍了系统构成、参数采集方案与智能控制策略。试验表明，本系统具有实时性强、可靠性高等特点，显著提高了矿井通风控制的智能化，大大降低了生产中的安全隐患。

关键词：通风；智能控制；STM32F103；瓦斯监测；CAN总线

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2011.08.008

瓦斯是困扰煤矿安全高效生产的主要问题之一，煤矿事故70％以上是由于通风设备故障、通风管理不善造成的。对掘进工作面局部通风机的稳定控制则是解决此问题的关键。

智能控制系统的功能分析

根据实际掘进面巷道工况的需求和《煤矿安全规程》对局扇“三专两闭锁”方式的使用要求、并借鉴国内外相关系统的优点，智能通风控制系统应具备以下功能。

(1)安全排放瓦斯

在瓦斯的排放过程中为了不污染瓦斯未积聚区域，瓦斯排放要求在监控瓦斯浓度的条件下缓慢地进行。本智能通风控制系统的首要功能是根据不同的瓦斯浓度分布情况，选择合理的瓦斯排放措施，达到安全有效地排放瓦斯的目标。

(2)双机准热备控制模式

实现两双两自动，即在掘进巷道中一个掘进工作面必须设置两台同型号同功率的局扇，一台正常运转，另一台可靠备用。当一台局扇因线路停电或出现故障等原因停止运转时，使另一台局扇能够自动起车，自动换风，以保证供风的连续性，以确保煤矿的安全生产。

(3)掘进面风机故障处理

智能通风控制系统应在不影响负载运行的情况下检修风机开关的控制系统，并且要求检修侧完全断电，真正做到不停风检修，保证生产正常进行，从根本上杜绝带电检修的危险性。

(4)掘进巷道瓦斯浓度实时监测

掘进面巷道内的瓦斯浓度信息，是智能控制系统的一个重要控制依据，因此准确实时的监测瓦斯浓度是本系统的又一个重要功能。

(5)节能

在实际使用时，通风机功率一般都偏大，造成电能的巨大浪费。智能通风控制系统应根据不同的巷道内瓦斯浓度情况，进行风量的自动调节起到节能的作用。

智能控制系统的硬件结构

掘进面智能通风控制系统由以下三部分组成：井下局扇电磁启动器、瓦斯实时监测系统和地面集控中心。整个控制系统的结构框图如图1所示。

掘进面智能通风控制系统具有中文人机界面显示、变频调速、双机准热备控制模式、风量的闭环控制、灵活的参数设定方式、完善的报警提示以及故障诊断功能，同时提供设备的实时运行状态信息。

局扃电磁启动器的设计

目前，公知的煤矿掘进工作面对风机控制通常采用两台真空隔爆型电磁起动器带动两部风机，其占地面积大，系统接线复杂，系统事故点多，不易维修。

本系统中新型矿用隔爆四回略智能电磁启动器以STM32F103ZET6单片机为中央控制器，检测电机过载、断相、短路、漏电等故障。用户可以通过一个液晶显示模块对电磁启动器的各种参数进行设定，电磁启动器的各种工作状态和故障信息通过这个液晶显示模块进行显示。单片机对外部的各种情况进行判断，并根据用户所设定的运行参数对四台轴流对旋风机进行自动控制。STM32系列基于Cortex-M3内核，专门设计以满足集成度高、低功耗、实时应用并具有竞争价格，STM32F103ZET6是STM32F103系列32位单片机资源配置最为丰富的一员。

硬件系统的设计

新型矿用隔爆四回路智能电磁启动器的硬件系统由主电路和控制电路组成，主电路由隔离换向开关、真空接触器连接而成，控制电路以单片机为核心，主要包括电源供给单元、信号形成采集单元、开关量输入输出单元、中央处理单元、人机交互单元、通讯单元和语音报警单元等。以继电器为输出负载，输入信号为按钮、转换开关和过载、漏电、断相、过流故障信号。所有电路均安装布置在一个封闭的隔爆金属腔体内部，操作按钮和转换开关在腔体外部可以操作。控制电路框图如图2所示。

控制软件

局扇自动切换控制可实现程控全自动控制程序。主机设备启动运行后：如果主机设备发生故障，系统停止主机设备的运行：经过设定的延时时间后，自动启动备机设备：如果主机设备掉电，当掉电时间小于25重新上电，系统维持主机设备的运行状态：当掉电时间大于25则停止主机设备的运行，系统经过设定的延时时间后，自动启动备机设备。程控全自动动作流程图如图3所示。

瓦斯监测系统设计

数据融合算法

基于CAN总线的数据融合多传感器瓦斯监测系统采用多传感器数据自适应加权融合估计算法，在不知道任何传感器测量数据先验知识的条件下，可以从含有观测噪声的测量数据中得到被测量的最小均方误差估计值。该方法不但充分利用了传感器的测量数据，还将传感器的均方误差、测量精度等信息融合处理，快速、准确地估计出真值，提高了测量精度，扩大了观测范围。该估计算法可以大幅度提高瓦斯浓度测量的可信度。

设有一个多传感器检测系统。其中N个传感器对某一被测对象进行采样检测，数据融合估计模型如图4所不。

多传感器数据自适应加权融合估计算法会根据数据的精度参数确定对所处理的不等精度数据，在已知各数据的精度参数时，为了确定各数据应得的权数，可把这些不等精度数据看成相当于在等精度测量条件下，由于测量次数不同而构成的不等精度，把各数据给出的精度参数看成相当于只是测量次数不同而得出的测量结果的精度参数。方差小的传感器所对应的权系数大，而方差大的传感器所对应的权系数小。

硬件设计

CAN-BUS采用双线串行通信方式，具有通信速率高，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作，容易实现，性价比高等诸多特点，已成为国际标准的现场总线。CAN-BUS用于工业通讯系统中，不仅可以增强系统通讯的可靠性和通讯距离，还能增强系统的实时性。STM32F103ZET6片内集成CAN控制器，系统只需在外部扩展一个CAN收发器就可以实现CAN通讯。

系统选用广州致远公司生产的CTM8251AT通用CAN隔离收发器，内部集成了所有必需的电气元件：包括通讯隔离电路、电源隔离电路、CAN接收器、总线保护等。CTM8251AT将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且具有电压隔离、ESD保护功能及TVS管防总线过压保护功能。接口电路如图5所示。

瓦斯监测系统的主要功能

(1)为掘进面智能通风控制策略

提供瓦斯浓度信息依据，合理选择瓦斯浓度的测量位置，有效地提高了瓦斯浓度分布状况监测的准确性。

(2)对掘进工作面模拟巷道内瓦斯浓度分布情况进行实时监测：瓦斯监测系统将多个瓦斯传感器采集的数据通过CAN总线传递给单片机，由单片机进行存储并将实时瓦斯浓度数据通过工业以太网传输给地面集控中心进行分析。

(3)掘进面模拟巷道内实时瓦斯平均浓度的估计分析：瓦斯监测系统使用了自适应加权算法多传感器数据融合技术，该技术利用多个瓦斯传感器共同或联合的操作优势，提高掘进面巷道瓦斯监测系统对巷道瓦斯平均浓度估计分析的有效性、准确性，消除单个或少量传感器的局限性。当单个瓦斯传感器发生故障时，瓦斯监测系统对于整个模拟巷道内瓦斯平均浓度的分析具有容错性。

智能控制策略

地面集控中心采用BP人工神经网络智能控制策略，以变化的瓦斯浓度为参量，自动、大范围地连续调节局部通风机转速，使其在最佳的工况条件下运转，合理地控制模拟巷道内的风量，这样能够大量节省局部通风机由于长期恒速运转造成的能量浪费，同时也自动地将瓦斯浓度控制在安全范围之内。

风量控制模式为风量闭环控制。对矿井掘进面瓦斯浓度可靠稳定的控制是保证煤矿掘进面安全生产的关键，掘进面风机的风量是重要的控制参数。采用变频调速技术，可以有很好的节能效果，更重要的是通过变频技术实现对风机电动机转速的改变以直接调节风量、风压大小，保证煤矿掘进面瓦斯的安全排放和充足的供氧量，并达到人性化供风的目标。掘进面智能通风控制系统的风量控制策略图如图6所示。

掘进面智能通风控制系统根据掘进面工作现场状况设定一个初始值，反馈信号由局扇风量实际值和瓦斯浓度实际值通过风量传感器和瓦斯浓度传感器检测提供，这两个输入信号首先传输给上位机中的BP神经网络控制器，由其进行分析并向单片机给出控制信号，再由单片机向变频器给出信号，以控制电动机的转速，达到自动控制风量，稳定控制瓦斯浓度、供氧量的目的。

结论

本文给出了掘进面智能控制系统的总体设计方案，详细介绍了新型智能隔爆四回路电磁启动器和基于CAN总线的数据融合多传感瓦斯监测系统的设计。在控制系统结构方面，上位机与井下单片机控制站通讯采用工业以太网技术，保证上下位机数据的快速准确传输。

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