煤矿智能通风控制系统研究

煤矿智能通风控制系统研究

仝勇1，赵旭2

1.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，鄂尔多斯 017300；2.山西天地煤机装备有限公司，太原 030006；

摘要：本文研究智能通风控制系统，提出智能控制策略和控制系统设计方案，实现通风系统智能调节风速、风量和故障实时监测，提高通风系统的安全性和节能性。系统硬件结构分为井下控制站和井上上位机，控制站选择STM32为主控制器，实现对井下多种传感器数据的采集、处理和传输，且实现对主备风机的控制。上位机实现风机控制算法及故障诊断算法的实现和执行，实现对风机故障的诊断与预测，提高生产的安全性。

关键词：通风系统；智能控制；故障诊断；

1 前言

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智能控制技术是自动控制技术在多交叉学科上的重要延伸，在石油、煤炭、医疗等行业起到重要作用。例如智能化煤矿对于信息的实时获取过程伴随有众多智能控制技术，智能机器人控制、智能故障诊断、智能调度和控制等对于井下工作的实时监控和人员安全保障具有重要的作用。

智能控制技术从工程领域角度包括智能控制与系统两个方向。所谓的智能是能有效的传递和处理信息的过程，实时的智能控制系统是一个复杂、非线性、时变的系统，准确控制系统的性能，需要从以上所述的两个方面进行性能分析。

我国是煤炭资源大国，分布在山西、内蒙等地的大型煤矿中通风系统是必不可少，井下通风状况的实时监测对于煤矿的安全生产和人员安全具有举足轻重的作用[1]。瓦斯的防控工作是煤矿安全生产的重要环节，瓦斯事故的直接原因均与矿井通风状况有关，通风系统设计不合理、设施不完备等状况，因此针对智能控制技术进行分析，建立一套智能化通风控制系统是十分必要的[2]。

2 智能控制系统

智能控制系统是随着大数据进程的不断发展衍生出的高度复杂的系统。智能控制系统结构如图1所示，感知信息处理是处理来自传感器的信息，根据智能算法不断辨识、感知和整理所需的数据。认知部门是针对存储的知识和经验数据进行分析推理，做出决策并送入执行和控制单元。规划和控制是整个系统的核心，根据给定任务的要求、反馈信息以及经验信息进行推断决策、动作规划，最终产生具体的控制效应，并通过执行器进行执行。从前端的传感器到中央控制器到执行器形成一套完整的执行和反馈系统，即所谓的智能控制系统。

图1 智能控制系统的结构

    智能控制系统应具备学习能力、适应性强、鲁棒性、实时性、人机交互等性能，对各种故障具有自诊断、屏蔽和自恢复的功能。智能控制系统可以分为分级递阶智能控制系统、专家控制系统、模糊控制系统、神经网络控制系统、基于规则的仿人智能控制系统、集成智能控制系统和组合智能控制系统等。

3  智能通风控制系统

智能通风控制系统必须能够实现主备风机自动切换，对瓦斯浓度、风压、风速、温度以及运行的状态实时监测等工作。根据实际工况的需要，能够实现远程数据传输及控制，并实时进行信息的反馈。

智能通风控制系统具体完成的工作如下所示：

(1)根据井下工作环境进行判断实时自动控制风速。一线的掘进工作面供风需求主要与瓦斯浓度、烟尘浓度、工作面深度、风机阻力和工作面的温度共同决定的。因此，需要结合多种传感器的数据进行数据挖掘和分析进行风速的实时调节[3]。

(2)根据传感器采集的数据进行预判，主要是利用一些经典的模糊控制算法预测工作面的瓦斯浓度和烟尘浓度，根据预测结果控制风机转速。

(3)通过机械学习的手段对风机故障进行诊断和预测，分析风机的振动特性曲线，降低风机故障的发生。

(4)面对风机故障出现时，系统可以自动切换至备用风机继续工作，并将故障反馈至处理中心，当主风机更换成功后再切换至主风机工作，实现不间断的通风。

3.1 设计方案

智能通风控制系统主要由多种传感器（瓦斯传感器、烟尘传感器、温度传感器、风速传感器等）、调速系统、井下控制站、上位机监测计算机组成[4]。通过分布在工作面的传感器采集实时的工况数据，并由井下控制站进行数据的获取，并将处理结果传输至上位机。上位机通过预先编写的算法进行数据的分析并将处理结果反馈至调速系统，调试系统根据接收的指令进行自动风速调控，实现智能调速的目的。并将风机的故障信息反馈至上位机，实现实时监测风机的运行状态。如图2所示：

图2 智能通风控制系统示意图

智能通风控制系统的示意图如图2所示，井下控制站是基于STM32F407的嵌入式控制系统[5]，上位机监测系统是基于LabVIEW平台开发的软件程序[6]，传感器的根据不同物理特性设计的传感器模块，控制站直接读取不同传感器模块的数据即可获取瓦斯浓度、温度、风速、风压、风机振动特性等信息。

3.2 基于STM32的控制站系统

基于STM32的控制站主要是对井下不同传感器进行数据采集，实现井下数据和上位机监控软件的通信，并对执行器发出执行的命令，实现系统设定的功能。

控制站主要由主控制器、通讯模块（串口、网口）、输入输出模块、存储模块、传感系统、报警装置以及电源模块组成。

电源模块是一个系统工作的前提，需要根据工作环境的工况设计稳定可靠的电源模块[7]。控制站需要根据不同的需求设置不同的电压，正常情况下用外部供电系统实现不间断的供电，当出现故障时通过控制器实现切换。如图3所示：

图3 电源模块

输入输出模块具有多种类型的输入输出接口，连接不同的传感器进行数据的获取，并利用 ADC进行数据读取。串行通信是传感器与主控制器最直接的通讯方式，网口通信是控制站与上位机间的通信方式。大容量的存储模块可以将数据进行实时的保存，当出现故障时可以为分析故障来源提供数据保障。

4  总结

针对目前我们煤矿风机控制系统中风量调节存在的问题，提出模糊控制策略，提出了基于小波分析的风机支持向量机故障预测算法，对智能控制系统的硬件结构进行设计。降低了人为操作不及时和误操作的发生率；同时还实现了对瓦斯的预测控制，避免了“事后”控制的不及时性，提高了煤矿生产的安全性。实现了对风机故障的预判功能，为风机故障的提早发现提供参考依据，提高生产的安全性，避免了风机在故障状况下运行对自身的进一步损坏，延长了风机的使用寿命，提高了经济性。

参考文献

[1]杨艳国.矿井通风与安全[M].中国矿业大学出版社,2012.

[2]秦书明,吴利学.煤矿智能局部通风系统的设计及应用[J].煤矿机电,2014(1):3.

[3]梁涛,侯友夫,吴楠楠.掘进工作面局部通风智能监控系统的研究[J].矿山机械,2008,036(001):19-22.

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