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矿井通风自动控制系统研究与开发

文档作者：马恒赵丹刘剑文档来源：辽宁工程技术尢学安全科学与工程学院		点击数：	更新时间： 2021年02月24日
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(j岬“krfngJneeringandApplicat．ms计算机I毪与应用
矿井通tbIL|，1动控制系统研究与丌发
马恒。2．赵丹1i刘剑‘
MA Heng’2，ZHAO Dan”，L【U Jla n】2
I辽宁I．程技术尢学安牟科学与1．R学院．辽宁阜新12300<)
2辽宁省煤矿牲l|程照点盛骏室上￡jf阜新123000
I Collcgc of Safety Science and H“目“∞r⋯g Liaoning T*hnical University F⋯，Liaoning 123000．ChlM
2Limning C衄1 Mine Sarclv Engin∞ring Key Ijbomtmy，FuxJn，Liaoning 123000．Chma
MA Heng-ZHAO Dan．I+IU JianRe‘eiMh and devdopment of minP scntilation auto．atEc coflt[ol$’5tcm(：omputcr En—
ginecring and Applicaliens-20II．47IIg)：24l-244
Ai№tract：Based∞m鲫itonng and control th∞ry the mine vPnuIatl帅c帅trol systcTn is dcvcloped by building a small v。lume
of the miflc model with PVC Dj*ThB system avoids a large眦a of．ndcrgr+uM tunncl uxmxating necded in V|enll]ation
cx口erj⋯¨d makcs significant cost nvingsAt nBI lf places the p[cssuK sensors wind speed s⋯n and th r‘】tflc actuator
at suitable l⋯oB in the model-mn achieves the vcntilallOn na⋯1cn of signal acquisition⋯well auto眦llc
mc⋯conmvt州esn⋯otfiwcItlaklrlotiloIcn嘞conltktcoJ扣tedstiong,llhaclf枷岫tocnlels⋯，tthhefoHlc曲[wtohrke scoolmYp口utveerrifciocnaltmilon Ie％x阿hn⋯oIIo，“v^舢n“timloadleilOnd⋯ebourgkginmgguilsatfiioninshcedx，ptmh-e the diagonal㈣Iurc analysis e一∞b have bccn completed step by stepThe exp。fimen“of gathcrthg
malog signal of pressure"d wind specd“weLl“outpuuing∞Blc COnlrO]sigml of t}u+ottlc havc achlevcd goad qsults．
which is锄dH the contro]of s0R—with Visual B“l。program lang“gcⅫd⋯I【oⅢ⋯thrm县lI CAN-BUS hasThe
∞mplction of me sys{cm is of grit L—mc for the simulation Cxpenmea[and imelligcm dia目osis of mine vcntilallon
Key words：autonomic controt in mine vcnbl⋯：sys[cm devclopm∞t：monhoring and Co”lrol；simulation naJ㈣analysh c1弘⋯t：d13妒
攮蛋：使m PVC管撂建J、镕n旷井模型根*监Ⅻ监控g论，}发7P*a疋自自#制}统解女Ta风蜜驻*垂镕掘^自#地
T巷进这一i程，太太节省T成^抖A差传毒g和．日建传感g“蔑风n执竹g$i十镬!适§值i，“月”算机控制拄术熹现
7通风参敷的信号采枭“ⅡT控风，】∞自自拉“等自＆．摸2ⅧA￡成e．完成Tr#日mm力W试、目络解算验证通风目络调
节，x厦m联镕构☆析手当验采mVisul Basic*{的±位札#*．通tCAN．BUS总线采lⅡ蔓■风速的橇*镕号并精女风『1自
度拉“模{“#号-蜜验取辑T盘*曲#g 1|象垃∞完成对于模n蛮验“aF井{风智《诊目目亢#有掘善重毒的毒*
盖健埘：矿丰Ⅲ风自#控"秉蛇*是：§l{监控：攫机鼻鞋：自联8构分*
DOl：10 377剐l”n1002 833l 2011 18 071 义章蝙峰：】002—833I(2011)1 8-024【-04 文t标“懈：A 中嘲舟赛母：TD76
I酣言
矿井通风实验通常在实际矿井或采用挖掘太面#{地r巷
遵或者地面垒砌巷遭拘建逆风嗣络，多^协作完成压力、风靳
的测实．手工完成数据的处理分析。但巷道建设，维护成本高．
周期长．占地面积大不剥于广泛推广实验参与人员多崖嗽
难度太．更不制十演示，1“干仪#精度辱讲多睬凼．往往达不
到顶斟的实特蛙粜
甚1：以r的考虑i[宁省煤矿安幸1：氍重点实验室开裳
了矿井通风自动拉制系统如罔1所乐。通n嘞n来用小型离
心式风机，根据相似唧．诬用PVC管按照一定№例搓缱小体
#}通风M络模型。利用i}算机控制技术实珧r埘M参数的信
甘来集以厦可{空风fIf：,J自动控制等功能。
2系统总体设计
系统曲总体没”如嘲2所永．在横制的各指定位苴丹荆布
置匝力传感嚣M述传感嚣和风『J执{J器数姑采巢使刖教
字加镆拟}≈合传输方式传搏器输出采用睢lOv模拟信号山
#i4¨M家自热#{#金h№Nalional Ns±ural‰⋯Fo岫tion of c“ma¨d口(；础l No 6077215。)
”青*n qⅢ(1"2一)m．Min．“教&amp;amp;，±《M$r*§H女{口eA自¨#々≮H*l啡。E+mil：∞a“cn照㈦⋯
《柑nm 2009til 26；■Hu■：2010．0l 05
万方数据
Computer Engineering andApplications计算机工程与应用
模拟量采集模块进行采集并转换成数字信号。模拟量采集模
块与上位机用CAN．BUS总线通讯“1。风f j执行器也使用o~
10 v模拟信号控制，o~lO v信号对应0--90。转角。执行器有角
度反馈，也使用o~10 V信号，用模拟量采集模块采集供给上
位机。
图2系统总体结构示意图
上位机用循环方法接收模拟量采集模块的数据，这时候
得到的数据是啦10 v电压的数据，这个数据需要通过传感器
的量程范围换算成需要的数据。如25 Pa的压差传感器的数
据，肛10 v就对应o~25 Pa的压差，这需要在数据库里存储每
个传感器的特性信息。
3系统硬件设计
3．1压差传感器
压差鳓斟}{}j朔悯毛甩西门子QBM65．1型和DWYER MSl21
型传感器。西门子QBM65．1型传感器量程范围0-100 Pa，敏
感性0．02％；DWYER MSl21型传感器量程最,bo--2s Pa，精度
1％精度。
3．2风速传感器
风速传感器采用EE65风速变送器，器工作原理是按改进型
热膜风速计原理运行的。工作范围¨10 m／s，精度0．3 m／3士3％
所测值。
3．3风门执行器
采用西门子GDBl31．1A型风门执行器，该型号的扭矩是
5 Nm；使用肛10 v模拟信号控制，0--10 V信号对应0-90。转
角。执行器有角度反馈，也使用睢lO V信号，使用模拟量采集
模块采集供给上位机。
风门执行器通过接收模拟量输出模块传来的模拟信号，
调节风门角度，进而改变了巷道的有效断面积。
3．4模拟量采集模块
采用科日新K-7512，该模块是光隔8路拟量输入模块。
主要用来采集来自压差传感器、风速传感器、风门执行器的模
拟信号。
3．5模拟量输出模块
采用科日新I(-7516，该模块是光隔4路模拟量输出模块。
主要用来上位机软件向风I’j执行器、压差传感器、风速传感器
输出控制信号。
3．6 CAN-BUS总线
本文系统采用KPCI．8110光隔非智能CAN总线通讯卡。
KPCI．8110适用于各种工控计算机、兼容机(PCI)的长距离高
速率传输。该卡的安装使用非常方便，并提供了丰富的动态
链接库接口函数。
3．7其他硬件
通风动力采用小型离心式通风机；上位机采用普通PC计
算机。
4软件设计
上位机软件采用Visual Basic编写。上位机软件实现了压
力、风量、风门角度的实时显示；风流状态的实时模拟、风门角
度的远程调节以及数据分析处理等功能。
4．1 CAN．BUS通信
软件设计的重点就是CAN．BUS通信模块的编写。正确
安装CAN．BUS卡和驱动程序以后，将K8110．ml和K8110．1ib
文件复制到指定目录并导入当前工程。
主要函数简介：
(1)打开卡的函数
BOOL WlNAPI CAN Open(ULONG iIndex)#iIndex指
定设备序号
(2)初始化函数
BOOL WINAPI CAN Init(ULONG ilndex，PUCHAR
config)
Config：指向配置方式、波特率
(3)查询接收一帧数据函数
BOOL WINAPI CAN_Recv(ULONG ilndex，PUCHAR
recvbuffer，ULONG rtimeout)
Recvbuffer：指向接收数据缓存区的指针
(4)发送一帧数据函数
BOOL WINAPI CAN Trans(ULONG ilndex，PUCHAR
tmnsbuffer，ULONG wtimeout)
Transbuffer：指向发送数据缓存区的指针
数据缓存区分配同接收
Wtimeout：写超时，单位为mS
在系统的设计中采用中断接收方法进行数据采集。
4．2数据库设计
数据是程序运行的基础，上位机软件需要管理输入输出
模块、风门执行器和传感器的参数没置信息。因此将上述信
息保存到Access数据库中，并采用Dao数据库技术进行访问
管理。
根据以上分析设计了输入输出模块信息表、传感器信息
表和风门执行期信息表。
4．3软件界面设计
上位机软件没计了主界面、设置传感器、输入输出模块三
个窗体。
5实验与应用
模型调试完后，先后完成了矿井通风阻力测试、网络解算
验证、通风网络调节以及角联结构分析等实验。
5．1矿井通风阻力测试实验
阻力测试测点布置如图3所示，在AB巷道上布置两个压
万方数据
马恒．赵井刘到矿井通风自动控制秉坑研究自开发
差传感器接uⅫ—十风速传感器。风机开机．模型系坑r电，
调节风『J执行珊使巷道轴线与风¨平面夹巩勾0度系统稳
定后．从上位机盎暇差压值P和风速值P。
lM¨蝴．2Ⅲ嫠渤S8镕口．3j吐连*感％14小Ⅲ自0女刚L
m 3 r井№H镕■aH{*m
断面与风量Q计算：根据预先测嚣出的PVC管内径D．
计算出巷遭的面积S和周长U。根姑公式口=sr由M速V
计算出M蛩0。
fI】舡力计算：由于AB巷逋是水平的，所“位压差为0；
PVC管断面处处相等．故认为备点的口【蘧也是相等的，所以速
压若也等千O。出此阻力Ⅳ等于静压差P，
(2)风阻和摩擦砒力系数"算：分刺挂据公式(”(2)、
(3)Lr算出风鞋R，厘米Bl阻月⋯和摩攘阻力系数Ⅱ”o：
R；删“)
月。=R／L／100 (2)
d=RS'mw (3)
式中￡为静压蔫测点之州的巷道长度。
巾计算m的R。结合测量出的器巷道长度．计算出锌
巷道的风阻、经过多改测试汁算，月。．=I 413NS2／m8、口=
0005 953 8Ns2／m‘。
通风阻力测试实验有着重要意义，不仅能形象生动完成
通风阻力删实忤务．更为后续的稀个实验提供了基础参数。
5 2网络解算验证宴验
网络解算是通风系统管理优化的核心内容+同时也是矿
井通风课程的重点也是堆点。使用自行编制的CAI软件演示
解算过程。利用风速传摩器直接测得飚，验证解算结果，取
得了良好的技粜，
网络解算方法很多可分为解析法，图解法、物理相似模
拟法、数值方法。数值方法属于近似法，是H㈣究分流的主
要手段。本文实验主要使用Scott．Hinsley法进行刊络解算
解算过程如下：
(1J确定风阻和总风量。图4中备巷遭的风阻值采用阻力
测试实验中得出的吾F《阻值。
在A点或D点布置风速传感器实酬该点的风速进而求
出实际总风量口。
f 2)判断角联舟点风流方向c通过R。m"与^。md大小
判断角联分支风流风向
(3)确定求解的未知风量的网孔数，网络中分主数～，口
点总数J，网孔数M聪式(4)it算求解：
M；Ⅳ一』+l (4)
(4)拟定各风路的韧始化风茧。
(5)Scott-Hinsley遗坩”。经过若干敬遣代后．H点风量和
回路阻力即可达到平衡。
f6)解算结果验证蛐图3所示，完成选代计算以后，在十
巷遭上布置风建传感器求得十巷道的实际风量验证选代计
算结果．
Scott-Htnsley选代法收敛速度快但汁算过于繁琐演不
费时费力，而目容易出错。斯此结合矿井通风模型使用参考
文献『41，采用Vis吐l c#编写了Scoll．Himley选代法演示程序．
如图4所示。程序启动后录入n忸、总风蛩和选代精度后，点
击“自然分风”按钮．界面上自动输出各巷道风毋、呵孔阻力误
差，以菠角联分支风向。然后点击“单步选代“按钮，界m上自
动输出备巷遭风量网孔阻力误差以及角联分支风向，同时界
面下方的“选代敷据表”套给出选代过程的详细计算过程。图
4是完成一次造代后的截圈。
5．3通风网络谢节实验
在生产矿井中随着菩遭的延仲、1|作面的推进和更替以
及瓦斯涌出最的变化等．常常需要对矿井风量进行Ⅻ壮．使其
按所需风景和预定的路线流动．这是矿井通风拉术管理工作
的重要环竹．．
对此．在相关文献里有较事的介绍，通常只能H理论L对
网络调*进行讲述，w。文献【7】从宴践角度进行了舟析。i苴过
本次实验，先从理论上分析，然后利用通风横型进行实际验
证．这也是本文的特色，
如图3所示，鹾AB分主的当前风量为见。，目标风量为
0：。．调节方法为酬节AB巷遭上的风『J执行器角度进而改变
AB巷道上的风阻值．最终实现风羹删节的目的。根据理论推
导得出风¨执行器角度0．然后通过上位机发出指令将风fi
执行器调成0角。最后通过风速传感器测出实际风连．计算
风量问目标风量Q0}匕较。
为了简化”算．鞘节之前，谰节风门所在平面与AB巷遭
轴线成。度角．在渊节过程中总风量0不变D R⋯R^⋯R、
口’Ⅳ口均为B知．0‘。=0一口■．因此Qk也是E知的，^0
口’。，口0，口’。是求知的，因此根据节点风量平衡和回睹风压
平衡列出式(5 J
0么=口’“+口’¨
J口0-Q’*+0’一⋯
R‘“0：+R”口’：=o：0’：
【月k口t+R目0尝=R¨0‘j
化简樽
(Rk+Rm^M堙‰一2(Rk口’日+RdQ)QORk∥：‘R_∥=o
先求出口：。后再求出d。和R■蛹节风mR。的计算式为：
万方数据
Computer自*”e"⋯￥aadApplicationl计算机I程与应月
有翦萼遭断面秘Sw汁算式如式”)：
Sw=S／(I+o 75q厄) f 7】
风『J执行器旋转角度如幽5所示。巷道断面所在平面为
一平碰．风门执行器所在平面为x'-y平面二平呵之问的
兜角为日。
渤二三日5 M『1n¨≈**n#Ⅲ
世巷照的断面秘为S风f J执行器与崔遒断面的夹角为
d则巷遭的有效断面秘凡曲：
S=S0⋯m f 8)
求得风『】执行器应旋转角度日：
d=arccos{I 。四{91
最后通过r传机鞍件向风f1执行馨觉甚睹夸．使其调整口
角，鞘节完成，等待采统稳定后+通过r位机读取AB巷道的
风速传勰传同的凰建值，汁算风璧井与I|标风譬№较，
5．4衔联结构分析摩验
角联分支的确定，角联分支的识别是分析网路话定性与
可靠性分析理论中的核心内容‘：
如图所7li，很明毓BC井盘是条角联风路
实验内客如下
(”角联分主方向判驯。
(2)调节风门执行器角度，改变角联巷遭风流方向。
角联分支内风流方向与其自身的风阻值无*，而H与
R一／R R。m。。的大小有关，岗此H要改变Rn的值日『I可达到
目∞：
首先确定角联分支改变方向的AB舟支的临界风阻信
t接i97页
一．然后利月式(7)、f12】”髯_H；风『j执行器的调节角崖簸
目通过r位#L软件刚风f】执行嚣发遵指令使其嘲箍日角。
稿节完成，等待系统捂定聍，通过L位机陲取AB巷逋的M速
传感器倍回的风速值计算风量并与目标风量＆较
6结论
使用PVC管船避小体秘矿{}模型根据监胡监控理睦．采
用Vis∞l Basic编写的r位gL软件通过CAN．BUS总线采集压
差和风速的模扭情号并输出Mf】觑壹控制模拟信号．开发了
矿井通风自动控制系统
将压罄传感器风速传感器以及风f J执行器布置于模型
适当位置，利用计算机控制技术实现了通风参数的信号采集
以压可控风门的自动控制等功能
确定了口l¨旋转角度与风量硼节大小之间的关柔．从而
宴明了风量的岛动涮节
摸型调试完成后．先后完成r臂_井通风阻力测试、时皓解
算验Ⅱ通风M绪侧H以丝角联结怕分析等实验．该系统的
完成对于模拟实验以厦矿井通风智能诊断研究具有极其重要
的意义。
参考文献：
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【7j#☆政Ⅻ自F#ⅫR协g月呛％女践[MI#m#女Inm《
#2006
5结论
本文利肿顶点和面片之间的数量关系，提出了种新的书
局细升方法，并通过拄制局部与平均的三角喇格面积＆串来实
现不j目的需要。虽然率立算法比蝶形模式、改进的蝶形模式和
Ji等静态细分模式在月格均匀程度上相对轻差，但可以用较少
的唾片表选横型得到与均匀细舟一样的曲Ⅲ质蕾，并日以减’
摸型的存储空间和艘时间。利用奉文算法可“快速提高慎型
的表面光滑度．这在=维模型分割和基于模型表面实现的骨禁
提取中有重要应用实嘧也uE明了算法的有技性和高技性。
参考文献：
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刚lqs of mc 5m EUROGRAPHICS Symposi皿∞0cooc廿y P—ing 2007：153 162
嘲Borsch M sk咖S，B“choff S，n al唧∞Mcn 8*晰z and
e胁l酬P。伽m曲da￡a～唧K"P眦吲“口of o呻SG 『S7⋯1‰。Pm2002 O，A舳smm M Haimes ROa the wc of loop suM'Ⅵ．
m⋯rkes for mrM“g⋯q[c"r。c of the 15th Int+】
M％hing Rol【ndlable(IMR’06j．2006二375 392
嘲sm出ky VCmig p时哪K自q叫1口∞m岫le岫鲥“∞ⅢⅢ
Engioeetmg with co⋯eH 2004 zo(2 J
㈣9％镕《，菲＆镕，#目Ⅸ，荨摹十№＆∞重新月惜mⅡ多H*$表
}【月软#擘报，200S 19(mw)-131 r142
【jo]￡自＆Ⅻ#￥，I*#日自!自H镕∞自mm目HⅢ”#m
I《2006 32fI 2)
万方数据

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