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礦井通風(fēng)自動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)

文檔作者：馬恒趙丹劉劍文檔來源：遼寧工程技術(shù)尢學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月24日
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(j岬“krfngJneeringandApplicat．ms計算機I毪與應(yīng)用
礦井通tbIL|，1動控制系統(tǒng)研究與丌發(fā)
馬恒。2．趙丹1i劉劍‘
MA Heng’2，ZHAO Dan”，L【U Jla n】2
I遼寧I．程技術(shù)尢學(xué)安牟科學(xué)與1．R學(xué)院．遼寧阜新12300<)
2遼寧省煤礦牲l|程照點盛駿室上￡jf阜新123000
I Collcgc of Safety Science and H“目“∞r(nóng)?g Liaoning T*hnical University F?，Liaoning 123000．ChlM
2Limning C衄1 Mine Sarclv Engin∞r(nóng)ing Key Ijbomtmy，F(xiàn)uxJn，Liaoning 123000．Chma
MA Heng-ZHAO Dan．I+IU JianRe‘eiMh and devdopment of minP scntilation auto．a(chǎn)tEc coflt[ol$’5tcm(：omputcr En—
ginecring and Applicaliens-20II．47IIg)：24l-244
Ai№tract：Based∞m鯽itonng and control th∞r(nóng)y the mine vPnuIatl帥c帥trol systcTn is dcvcloped by building a small v。lume
of the miflc model with PVC Dj*ThB system avoids a large眥a of．ndcrgr+uM tunncl uxmxating necded in V|enll]ation
cx口erj?¨d makcs significant cost nvingsAt nBI lf places the p[cssuK sensors wind speed s?n and th r‘】tflc actuator
at suitable l?oB in the model-mn achieves the vcntilallOn na?1cn of signal acquisition?well auto眥llc
mc?conmvt州esn?otfiwcItlaklrlotiloIcn嘞conltktcoJ扣tedstiong,llhaclf枷岫tocnlels?，tthhefoHlc曲[wtohrke scoolmYp口utveerrifciocnaltmilon Ie％x阿hn?oIIo，“v^舢n“timloadleilOnd?ebourgkginmgguilsatfiioninshcedx，ptmh-e the diagonal㈣Iurc analysis e一∞b have bccn completed step by stepThe exp。fimen“of gathcrthg
malog signal of pressure"d wind specd“weLl“outpuuing∞Blc COnlrO]sigml of t}u+ottlc havc achlevcd goad qsults．
which is鋤dH the contro]of s0R—with Visual B“l(fā)。program lang“gcⅫd?I【oⅢ?thrm縣lI CAN-BUS hasThe
∞mplction of me sys{cm is of grit L—mc for the simulation Cxpenmea[and imelligcm dia目osis of mine vcntilallon
Key words：autonomic controt in mine vcnbl?：sys[cm devclopm∞t：monhoring and Co”lrol；simulation naJ㈣analysh c1弘?t：d13妒
攮蛋：使m PVC管撂建J、镕n曠井模型根*監(jiān)Ⅻ監(jiān)控g論，}發(fā)7P*a疋自自#制}統(tǒng)解女Ta風(fēng)蜜駐*垂镕掘^自#地
T巷進這一i程，太太節(jié)省T成^抖A差傳毒g和．日建傳感g(shù)“蔑風(fēng)n執(zhí)竹g$i十鑊!適§值i，“月”算機控制拄術(shù)熹現(xiàn)
7通風(fēng)參敷的信號采梟“ⅡT控風(fēng)，】∞自自拉“等自＆．摸2ⅧA￡成e．完成Tr#日mm力W試、目絡(luò)解算驗證通風(fēng)目絡(luò)調(diào)
節(jié)，x廈m聯(lián)镕構(gòu)☆析手當(dāng)驗采mVisul Basic*{的±位札#*．通tCAN．BUS總線采lⅡ蔓■風(fēng)速的橇*镕號并精女風(fēng)『1自
度拉“模{“#號-蜜驗取輯T盤*曲#g 1|象垃∞完成對于模n蠻驗“aF井{風(fēng)智《診目目亢#有掘善重毒的毒*
蓋健塒：礦豐Ⅲ風(fēng)自#控"秉蛇*是：§l{監(jiān)控：攫機鼻鞋：自聯(lián)8構(gòu)分*
DOl：10 377剮l”n1002 833l 2011 18 071 義章蝙峰：】002—833I(2011)1 8-024【-04 文t標(biāo)“懈：A 中嘲舟賽母：TD76
I酣言
礦井通風(fēng)實驗通常在實際礦井或采用挖掘太面#{地r巷
遵或者地面壘砌巷遭拘建逆風(fēng)嗣絡(luò)，多^協(xié)作完成壓力、風(fēng)靳
的測實．手工完成數(shù)據(jù)的處理分析。但巷道建設(shè)，維護成本高．
周期長．占地面積大不剝于廣泛推廣實驗參與人員多崖嗽
難度太．更不制十演示，1“干儀#精度辱講多睬凼．往往達不
到頂斟的實特蛙糶
甚1：以r的考慮i[寧省煤礦安幸1：氍重點實驗室開裳
了礦井通風(fēng)自動拉制系統(tǒng)如罔1所樂。通n嘞n來用小型離
心式風(fēng)機，根據(jù)相似唧．誣用PVC管按照一定№例搓繾小體
#}通風(fēng)M絡(luò)模型。利用i}算機控制技術(shù)實珧r塒M參數(shù)的信
甘來集以廈可{空風(fēng)fIf：,J自動控制等功能。
2系統(tǒng)總體設(shè)計
系統(tǒng)曲總體沒”如嘲2所永．在橫制的各指定位苴丹荊布
置匝力傳感囂M述傳感囂和風(fēng)『J執(zhí){J器數(shù)姑采巢使刖教
字加鏌擬}≈合傳輸方式傳搏器輸出采用睢lOv模擬信號山
#i4¨M家自熱#{#金h№Nalional Ns±ural‰?Fo岫tion of c“ma¨d口(；礎(chǔ)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
萬方數(shù)據(jù)
Computer Engineering andApplications計算機工程與應(yīng)用
模擬量采集模塊進行采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。模擬量采集模
塊與上位機用CAN．BUS總線通訊“1。風(fēng)f j執(zhí)行器也使用o~
10 v模擬信號控制，o~lO v信號對應(yīng)0--90。轉(zhuǎn)角。執(zhí)行器有角
度反饋，也使用o~10 V信號，用模擬量采集模塊采集供給上
位機。
圖2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖
上位機用循環(huán)方法接收模擬量采集模塊的數(shù)據(jù)，這時候
得到的數(shù)據(jù)是啦10 v電壓的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)需要通過傳感器
的量程范圍換算成需要的數(shù)據(jù)。如25 Pa的壓差傳感器的數(shù)
據(jù)，肛10 v就對應(yīng)o~25 Pa的壓差，這需要在數(shù)據(jù)庫里存儲每
個傳感器的特性信息。
3系統(tǒng)硬件設(shè)計
3．1壓差傳感器
壓差鰳斟}{}j朔憫毛甩西門子QBM65．1型和DWYER MSl21
型傳感器。西門子QBM65．1型傳感器量程范圍0-100 Pa，敏
感性0．02％；DWYER MSl21型傳感器量程最,bo--2s Pa，精度
1％精度。
3．2風(fēng)速傳感器
風(fēng)速傳感器采用EE65風(fēng)速變送器，器工作原理是按改進型
熱膜風(fēng)速計原理運行的。工作范圍¨10 m／s，精度0．3 m／3士3％
所測值。
3．3風(fēng)門執(zhí)行器
采用西門子GDBl31．1A型風(fēng)門執(zhí)行器，該型號的扭矩是
5 Nm；使用肛10 v模擬信號控制，0--10 V信號對應(yīng)0-90。轉(zhuǎn)
角。執(zhí)行器有角度反饋，也使用睢lO V信號，使用模擬量采集
模塊采集供給上位機。
風(fēng)門執(zhí)行器通過接收模擬量輸出模塊傳來的模擬信號，
調(diào)節(jié)風(fēng)門角度，進而改變了巷道的有效斷面積。
3．4模擬量采集模塊
采用科日新K-7512，該模塊是光隔8路擬量輸入模塊。
主要用來采集來自壓差傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)門執(zhí)行器的模
擬信號。
3．5模擬量輸出模塊
采用科日新I(-7516，該模塊是光隔4路模擬量輸出模塊。
主要用來上位機軟件向風(fēng)I’j執(zhí)行器、壓差傳感器、風(fēng)速傳感器
輸出控制信號。
3．6 CAN-BUS總線
本文系統(tǒng)采用KPCI．8110光隔非智能CAN總線通訊卡。
KPCI．8110適用于各種工控計算機、兼容機(PCI)的長距離高
速率傳輸。該卡的安裝使用非常方便，并提供了豐富的動態(tài)
鏈接庫接口函數(shù)。
3．7其他硬件
通風(fēng)動力采用小型離心式通風(fēng)機；上位機采用普通PC計
算機。
4軟件設(shè)計
上位機軟件采用Visual Basic編寫。上位機軟件實現(xiàn)了壓
力、風(fēng)量、風(fēng)門角度的實時顯示；風(fēng)流狀態(tài)的實時模擬、風(fēng)門角
度的遠程調(diào)節(jié)以及數(shù)據(jù)分析處理等功能。
4．1 CAN．BUS通信
軟件設(shè)計的重點就是CAN．BUS通信模塊的編寫。正確
安裝CAN．BUS卡和驅(qū)動程序以后，將K8110．ml和K8110．1ib
文件復(fù)制到指定目錄并導(dǎo)入當(dāng)前工程。
主要函數(shù)簡介：
(1)打開卡的函數(shù)
BOOL WlNAPI CAN Open(ULONG iIndex)#iIndex指
定設(shè)備序號
(2)初始化函數(shù)
BOOL WINAPI CAN Init(ULONG ilndex，PUCHAR
config)
Config：指向配置方式、波特率
(3)查詢接收一幀數(shù)據(jù)函數(shù)
BOOL WINAPI CAN_Recv(ULONG ilndex，PUCHAR
recvbuffer，ULONG rtimeout)
Recvbuffer：指向接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)的指針
(4)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)函數(shù)
BOOL WINAPI CAN Trans(ULONG ilndex，PUCHAR
tmnsbuffer，ULONG wtimeout)
Transbuffer：指向發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)的指針
數(shù)據(jù)緩存區(qū)分配同接收
Wtimeout：寫超時，單位為mS
在系統(tǒng)的設(shè)計中采用中斷接收方法進行數(shù)據(jù)采集。
4．2數(shù)據(jù)庫設(shè)計
數(shù)據(jù)是程序運行的基礎(chǔ)，上位機軟件需要管理輸入輸出
模塊、風(fēng)門執(zhí)行器和傳感器的參數(shù)沒置信息。因此將上述信
息保存到Access數(shù)據(jù)庫中，并采用Dao數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行訪問
管理。
根據(jù)以上分析設(shè)計了輸入輸出模塊信息表、傳感器信息
表和風(fēng)門執(zhí)行期信息表。
4．3軟件界面設(shè)計
上位機軟件沒計了主界面、設(shè)置傳感器、輸入輸出模塊三
個窗體。
5實驗與應(yīng)用
模型調(diào)試完后，先后完成了礦井通風(fēng)阻力測試、網(wǎng)絡(luò)解算
驗證、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)以及角聯(lián)結(jié)構(gòu)分析等實驗。
5．1礦井通風(fēng)阻力測試實驗
阻力測試測點布置如圖3所示，在AB巷道上布置兩個壓
萬方數(shù)據(jù)
馬恒．趙井劉到礦井通風(fēng)自動控制秉坑研究自開發(fā)
差傳感器接uⅫ—十風(fēng)速傳感器。風(fēng)機開機．模型系坑r電，
調(diào)節(jié)風(fēng)『J執(zhí)行珊使巷道軸線與風(fēng)¨平面夾鞏勾0度系統(tǒng)穩(wěn)
定后．從上位機盎暇差壓值P和風(fēng)速值P。
lM¨蝴．2Ⅲ嫠渤S8镕口．3j吐連*感％14小Ⅲ自0女剛L
m 3 r井№H镕■aH{*m
斷面與風(fēng)量Q計算：根據(jù)預(yù)先測囂出的PVC管內(nèi)徑D．
計算出巷遭的面積S和周長U。根姑公式口=sr由M速V
計算出M蛩0。
fI】舡力計算：由于AB巷逋是水平的，所“位壓差為0；
PVC管斷面處處相等．故認為備點的口【蘧也是相等的，所以速
壓若也等千O。出此阻力Ⅳ等于靜壓差P，
(2)風(fēng)阻和摩擦砒力系數(shù)"算：分刺掛據(jù)公式(”(2)、
(3)Lr算出風(fēng)鞋R，厘米Bl阻月?和摩攘阻力系數(shù)Ⅱ”o：
R；刪“)
月。=R／L／100 (2)
d=RS'mw (3)
式中￡為靜壓蔫測點之州的巷道長度。
巾計算m的R。結(jié)合測量出的器巷道長度．計算出鋅
巷道的風(fēng)阻、經(jīng)過多改測試汁算，月。．=I 413NS2／m8、口=
0005 953 8Ns2／m‘。
通風(fēng)阻力測試實驗有著重要意義，不僅能形象生動完成
通風(fēng)阻力刪實忤務(wù)．更為后續(xù)的稀個實驗提供了基礎(chǔ)參數(shù)。
5 2網(wǎng)絡(luò)解算驗證宴驗
網(wǎng)絡(luò)解算是通風(fēng)系統(tǒng)管理優(yōu)化的核心內(nèi)容+同時也是礦
井通風(fēng)課程的重點也是堆點。使用自行編制的CAI軟件演示
解算過程。利用風(fēng)速傳摩器直接測得飚，驗證解算結(jié)果，取
得了良好的技糶，
網(wǎng)絡(luò)解算方法很多可分為解析法，圖解法、物理相似模
擬法、數(shù)值方法。數(shù)值方法屬于近似法，是H㈣究分流的主
要手段。本文實驗主要使用Scott．Hinsley法進行刊絡(luò)解算
解算過程如下：
(1J確定風(fēng)阻和總風(fēng)量。圖4中備巷遭的風(fēng)阻值采用阻力
測試實驗中得出的吾F《阻值。
在A點或D點布置風(fēng)速傳感器實酬該點的風(fēng)速進而求
出實際總風(fēng)量口。
f 2)判斷角聯(lián)舟點風(fēng)流方向c通過R。m"與^。md大小
判斷角聯(lián)分支風(fēng)流風(fēng)向
(3)確定求解的未知風(fēng)量的網(wǎng)孔數(shù)，網(wǎng)絡(luò)中分主數(shù)～，口
點總數(shù)J，網(wǎng)孔數(shù)M聰式(4)it算求解：
M；Ⅳ一』+l (4)
(4)擬定各風(fēng)路的韌始化風(fēng)繭。
(5)Scott-Hinsley遺坩”。經(jīng)過若干敬遣代后．H點風(fēng)量和
回路阻力即可達到平衡。
f6)解算結(jié)果驗證蛐圖3所示，完成選代計算以后，在十
巷遭上布置風(fēng)建傳感器求得十巷道的實際風(fēng)量驗證選代計
算結(jié)果．
Scott-Htnsley選代法收斂速度快但汁算過于繁瑣演不
費時費力，而目容易出錯。斯此結(jié)合礦井通風(fēng)模型使用參考
文獻『41，采用Vis吐l c#編寫了Scoll．Himley選代法演示程序．
如圖4所示。程序啟動后錄入n忸、總風(fēng)蛩和選代精度后，點
擊“自然分風(fēng)”按鈕．界面上自動輸出各巷道風(fēng)毋、呵孔阻力誤
差，以菠角聯(lián)分支風(fēng)向。然后點擊“單步選代“按鈕，界m上自
動輸出備巷遭風(fēng)量網(wǎng)孔阻力誤差以及角聯(lián)分支風(fēng)向，同時界
面下方的“選代敷據(jù)表”套給出選代過程的詳細計算過程。圖
4是完成一次造代后的截圈。
5．3通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)謝節(jié)實驗
在生產(chǎn)礦井中隨著菩遭的延仲、1|作面的推進和更替以
及瓦斯涌出最的變化等．常常需要對礦井風(fēng)量進行Ⅻ壯．使其
按所需風(fēng)景和預(yù)定的路線流動．這是礦井通風(fēng)拉術(shù)管理工作
的重要環(huán)竹．．
對此．在相關(guān)文獻里有較事的介紹，通常只能H理論L對
網(wǎng)絡(luò)調(diào)*進行講述，w。文獻【7】從宴踐角度進行了舟析。i苴過
本次實驗，先從理論上分析，然后利用通風(fēng)橫型進行實際驗
證．這也是本文的特色，
如圖3所示，鹺AB分主的當(dāng)前風(fēng)量為見。，目標(biāo)風(fēng)量為
0：。．調(diào)節(jié)方法為酬節(jié)AB巷遭上的風(fēng)『J執(zhí)行器角度進而改變
AB巷道上的風(fēng)阻值．最終實現(xiàn)風(fēng)羹刪節(jié)的目的。根據(jù)理論推
導(dǎo)得出風(fēng)¨執(zhí)行器角度0．然后通過上位機發(fā)出指令將風(fēng)fi
執(zhí)行器調(diào)成0角。最后通過風(fēng)速傳感器測出實際風(fēng)連．計算
風(fēng)量問目標(biāo)風(fēng)量Q0}匕較。
為了簡化”算．鞘節(jié)之前，讕節(jié)風(fēng)門所在平面與AB巷遭
軸線成。度角．在淵節(jié)過程中總風(fēng)量0不變D R?R^?R、
口’Ⅳ口均為B知．0‘。=0一口■．因此Qk也是E知的，^0
口’。，口0，口’。是求知的，因此根據(jù)節(jié)點風(fēng)量平衡和回睹風(fēng)壓
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嘗=R¨0‘j
化簡樽
(Rk+Rm^M堙‰一2(Rk口’日+RdQ)QORk∥：‘R_∥=o
先求出口：。后再求出d。和R■蛹節(jié)風(fēng)mR。的計算式為：
萬方數(shù)據(jù)
Computer自*”e"?￥aadApplicationl計算機I程與應(yīng)月
有翦萼遭斷面秘Sw汁算式如式”)：
Sw=S／(I+o 75q厄) f 7】
風(fēng)『J執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)角度如幽5所示。巷道斷面所在平面為
一平碰．風(fēng)門執(zhí)行器所在平面為x'-y平面二平呵之問的
兜角為日。
渤二三日5 M『1n¨≈**n#Ⅲ
世巷照的斷面秘為S風(fēng)f J執(zhí)行器與崔遒斷面的夾角為
d則巷遭的有效斷面秘凡曲：
S=S0?m f 8)
求得風(fēng)『】執(zhí)行器應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度日：
d=arccos{I 。四{91
最后通過r傳機鞍件向風(fēng)f1執(zhí)行馨覺甚睹夸．使其調(diào)整口
角，鞘節(jié)完成，等待采統(tǒng)穩(wěn)定后+通過r位機讀取AB巷道的
風(fēng)速傳勰傳同的凰建值，汁算風(fēng)璧井與I|標(biāo)風(fēng)譬№較，
5．4銜聯(lián)結(jié)構(gòu)分析摩驗
角聯(lián)分支的確定，角聯(lián)分支的識別是分析網(wǎng)路話定性與
可靠性分析理論中的核心內(nèi)容‘：
如圖所7li，很明毓BC井盤是條角聯(lián)風(fēng)路
實驗內(nèi)客如下
(”角聯(lián)分主方向判馴。
(2)調(diào)節(jié)風(fēng)門執(zhí)行器角度，改變角聯(lián)巷遭風(fēng)流方向。
角聯(lián)分支內(nèi)風(fēng)流方向與其自身的風(fēng)阻值無*，而H與
R一／R R。m。。的大小有關(guān)，崗此H要改變Rn的值日『I可達到
目∞：
首先確定角聯(lián)分支改變方向的AB舟支的臨界風(fēng)阻信
t接i97頁
一．然后利月式(7)、f12】”髯_H；風(fēng)『j執(zhí)行器的調(diào)節(jié)角崖簸
目通過r位#L軟件剛風(fēng)f】執(zhí)行囂發(fā)遵指令使其嘲箍日角。
稿節(jié)完成，等待系統(tǒng)捂定聹，通過L位機陲取AB巷逋的M速
傳感器倍回的風(fēng)速值計算風(fēng)量并與目標(biāo)風(fēng)量＆較
6結(jié)論
使用PVC管船避小體秘礦{}模型根據(jù)監(jiān)胡監(jiān)控理睦．采
用Vis∞l Basic編寫的r位gL軟件通過CAN．BUS總線采集壓
差和風(fēng)速的模扭情號并輸出Mf】覷壹控制模擬信號．開發(fā)了
礦井通風(fēng)自動控制系統(tǒng)
將壓罄傳感器風(fēng)速傳感器以及風(fēng)f J執(zhí)行器布置于模型
適當(dāng)位置，利用計算機控制技術(shù)實現(xiàn)了通風(fēng)參數(shù)的信號采集
以壓可控風(fēng)門的自動控制等功能
確定了口l¨旋轉(zhuǎn)角度與風(fēng)量硼節(jié)大小之間的關(guān)柔．從而
宴明了風(fēng)量的島動涮節(jié)
摸型調(diào)試完成后．先后完成r臂_井通風(fēng)阻力測試、時皓解
算驗Ⅱ通風(fēng)M緒側(cè)H以絲角聯(lián)結(jié)怕分析等實驗．該系統(tǒng)的
完成對于模擬實驗以廈礦井通風(fēng)智能診斷研究具有極其重要
的意義。
參考文獻：
【Ij t日＆∞#※＆EVmK《‰目CAN§＆Ⅻ口gR々Ⅱ發(fā)系
坑?”_PPL3《％mⅢ2005，4I(5)：199．203
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嘲Ⅻ自Ⅲ進章，冊舭M絡(luò)4t【M】j瞰：*#Im*；啦Ⅱ2002
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5結(jié)論
本文利腫頂點和面片之間的數(shù)量關(guān)系，提出了種新的書
局細升方法，并通過拄制局部與平均的三角喇格面積＆串來實
現(xiàn)不j目的需要。雖然率立算法比蝶形模式、改進的蝶形模式和
Ji等靜態(tài)細分模式在月格均勻程度上相對輕差，但可以用較少
的唾片表選橫型得到與均勻細舟一樣的曲Ⅲ質(zhì)蕾，并日以減’
摸型的存儲空間和艘時間。利用奉文算法可“快速提高慎型
的表面光滑度．這在=維模型分割和基于模型表面實現(xiàn)的骨禁
提取中有重要應(yīng)用實嘧也uE明了算法的有技性和高技性。
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