矿井通风自动控制系统研究与开发

ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用2011，47（18）241

矿井通风自动控制系统研究与开发

222

马恒1，，赵丹1，，刘剑1，

222

MAHeng1，，ZHAODan1，，LIUJian1，

1.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新1230002.辽宁省煤矿安全工程重点实验室辽宁阜新123000

1.CollegeofSafetyScienceandEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin，Liaoning123000，China2.LiaoningCoalMineSafetyEngineeringKeyLaboratory，Fuxin，Liaoning123000，China

MAHeng，ZHAODan，puterEn-gineeringandApplications，2011，47（18）：241-244.

Abstract：Basedonmonitoringandcontroltheory，themineventilationcontrolsystemisdevelopedbybuildingasmallvol-umeoftheminemodelwithPVCpipe.Thissystemavoidsalargeareaofundergroundtunnelexcavatingneededinventila-tionexperimentsandmakessignificantcostsavings.Atfirst，itplacesthepressuresensors，windspeedsensorsandthrottleac-tuatoratsuitablelocationsinthemodel，thenachievestheventilationparametersofsignalacquisition，aswellasautomaticcontrolofthrottlecontrolandotherfunctionsthroughthecomputercontroltechnology.Aftermodeldebuggingisfinished，themineventilationresistancetestinglaboratories，thenetworksolververificationexperiment，ventilationnetworkregulationexperi-ments，aswellasthediagonalstructureanalysisexperimentshavebeencompletedstepbystep.Theexperimentsofgatheringanalogsignalofpressureandwindspeedaswellasoutputtinganglecontrolsignalofthrottlehaveachievedgoodresults，whichisunderthecontrolofsoftwarewithVisualBasicprogramlanguageandtransmitordersthroughCAN-BUSbus.Thecompletionofthesystemisofgreatimportanceforthesimulationexperimentandintelligentdiagnosisofmineventilation.Keywords：automaticcontrolinmineventilation；systemdevelopment；monitoringandcontrol；simulationexperiment；diago-nalstructureanalysis摘

要：使用PVC管搭建小体积矿井模型，根据监测监控理论，开发了矿井通风自动控制系统。解决了通风实验需要挖掘大面积地

下巷道这一工程，大大节省了成本。将压差传感器和风速传感器以及风门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及可控风门的自动控制等功能。模型调试完成后，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。采用VisualBasic编写的上位机软件，通过CAN-BUS总线采集压差和风速的模拟信号并输出风门角度控制模拟信号，实验取得了良好的效果。该系统的完成对于模拟实验以及矿井通风智能诊断研究具有极其重要的意义。关键词：矿井通风自动控制；系统开发；监测监控；模拟实验；角联结构分析DOI：10.3778/j.issn.1002-8331.2011.18.071

文章编号：1002-8331（2011）18-0241-04

文献标识码：A

中图分类号：TD76

1前言

矿井通风实验通常在实际矿井或采用挖掘大面积地下巷

道或者地面垒砌巷道构建通风网络，多人协作完成压力、风量的测实，手工完成数据的处理分析。但巷道建设，维护成本高、周期长，占地面积大不利于广泛推广。实验参与人员多、组织难度大，更不利于演示。由于仪器精度等诸多原因，往往达不到预期的实验效果。

基于以上的考虑，辽宁省煤矿安全工程重点实验室开发了矿井通风自动控制系统，如图1所示。通风动力采用小型离心式风机，根据相似原理，使用PVC管按照一定比例搭建小体积通风网络模型。利用计算机控制技术实现了通风参数的信号采集以及可控风门的自动控制等功能。

集中控制箱器图1矿井通风模型实物图

2系统总体设计

系统的总体设计如图2所示，在模型的各指定位置分别布

置压力传感器、风速传感器和风门执行器。数据采集使用数字加模拟混合传输方式，传感器输出采用0~10V模拟信号，由

基金项目：国家自然科学基金（theNationalNaturalScienceFoundationofChinaunderGrantNo.60772150）。

），男，博士后，副教授，E-mail：

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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。风门执行器也使用0~10V模拟信号控制，0~10V信号对应0~90°转角。执行器有角度反馈，也使用0~10V信号，用模拟量采集模块采集供给上位机。

CAN-BUS总线

上位机

模拟量

采集模块

模拟量输出模块

[1]

3.6CAN-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VisualBasic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。

模拟量

模拟量

压差传感器压差传感器压差传感器

4.1CAN-BUS通信

风速传感器

风门执行器风门执行器

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0~10V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25Pa的压差传感器的数据，0~10V就对应0~25Pa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

压差传感器分别采用西门子QBM65-1型和DWYERMS121型传感器。西门子QBM65-1型传感器量程范围0~100Pa，敏感性0.02%；DWYERMS121型传感器量程最小0~25Pa，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0~10m/s，精度0.3m/3±3%所测值。

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.dll和K8110.lib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

BOOLWINAPICAN_Open（ULONGiIndex）//iIndex指定设备序号

（2）初始化函数

BOOLWINAPICAN_Init（ULONGiIndex，PUCHARconfig）

Config：指向配置方式、波特率（3）查询接收一帧数据函数BOOLWINAPICAN_Recv（ULONGiIndex，PUCHARrecvbuffer，ULONGrtimeout）

Recvbuffer：指向接收数据缓存区的指针（4）发送一帧数据函数

BOOLWINAPICAN_Trans（ULONGiIndex，PUCHARtransbuffer，ULONGwtimeout）

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。

3.3风门执行器

采用西门子GDB131.1A型风门执行器，该型号的扭矩是

4.2数据库设计

5Nm；使用0~10V模拟信号控制，0~10V信号对应0~90°转角。执行器有角度反馈，也使用0~10V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。

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设置信息。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

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。

上位机软件设计了主界面、设置传感器、输入输出模块三

个窗体。

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。

5实验与应用

3.5模拟量输出模块

采用科日新K-7516，该模块是光隔4路模拟量输出模块。

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。

主要用来上位机软件向风门执行器、压差传感器、风速传感器5.1矿井通风阻力测试实验

马恒，赵丹，刘剑：矿井通风自动控制系统研究与开发2011，47（18）243

差传感器接口和一个风速传感器。风机开机，模型系统上电，调节风门执行器使巷道轴线与风门平面夹角为0度。系统稳定后，从上位机读取差压值P和风速值V。

在A点或D点布置风速传感器，实测该点的风速进而求出实际总风量Q。

（2）判断角联分支风流方向。通过Rab/Rbd与Rac/Rcd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。网络中分支数N，节点总数J，网孔数M可按式（4）计算求解：

M=N-J+1

（4）

C

D

（4）拟定各风路的初始化风量。

（5）Scott-Hinsley迭代[3]。经过若干次迭代后，节点风量和回路阻力即可达到平衡。

（6）解算结果验证。如图3所示，完成迭代计算以后，在个巷道上布置风速传感器，求得个巷道的实际风量验证迭代计算结果。

Scott-Hinsley迭代法收敛速度快，但计算过于繁琐，演示费时费力，而且容易出错。为此结合矿井通风模型使用参考文献[4]，采用VisualC#编写了Scott-Hinsley迭代法演示程序，如图4所示。程序启动后，录入风阻、总风量和迭代精度后，点击“自然分风”按钮，界面上自动输出各巷道风量、网孔阻力误差、以及角联分支风向。然后点击“单步迭代”按钮，界面上自

（1）（2）（3）

动输出各巷道风量、网孔阻力误差以及角联分支风向，同时界面下方的“迭代数据表”会给出迭代过程的详细计算过程。图4是完成一次迭代后的截图。

1.风门执行器；2.压差传感器接口；3.风速传感器；4.小型离心式风机

图3

矿井通风模型通风系统图

断面与风量Q计算：根据预先测量出的PVC管内径D，计算出巷道的面积S和周长U。根据公式Q=SV，由风速V计算出风量Q。

（1）阻力计算：由于AB巷道是水平的，所以位压差为0；PVC管断面处处相等，故认为各点的风速也是相等的，所以速压差也等于0。因此，阻力H等于静压差P。

（2）风阻和摩擦阻力系数计算：分别根据公式（1）、（2）、（3）计算出风阻R、厘米风阻Rcm、和摩擦阻力系数α[2]：

R=H/Q2Rcm=R/L/100α=RS3/L/U

式中L为静压差测点之间的巷道长度。

由计算出的Rcm结合测量出的各巷道长度，计算出各巷道的风阻。经过多次测试计算，Rcm=1.413Ns2/m8，α=0.0059538Ns2/m4。

5.3通风网络调节实验

在生产矿井中，随着巷道的延伸、工作面的推进和更替以

及瓦斯涌出量的变化等，常常需要对矿井风量进行调节，使其按所需风量和预定的路线流动，这是矿井通风技术管理工作的重要环节。

对此，在相关文献里有较多的介绍，通常只能从理论上对网络调节进行讲述[5-6]。文献[7]从实践角度进行了分析。通过本次实验，先从理论上分析，然后利用通风模型进行实际验证，这也是本文的特色。

如图3所示，设AB分支的当前风量为Qab，目标风量为Q′ab，调节方法为调节AB巷道上的风门执行器角度进而改变

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测实任务，更为后续的各个实验提供了基础参数。

5.2网络解算验证实验

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难点。使用自行编制的CAI软件演示解算过程。利用风速传感器直接测得风速，验证解算结果，取得了良好的效果。

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，是目前研究分流的主要手段。本文实验主要使用Scott-Hinsley法进行网络解算。

解算过程如下：

（1）确定风阻和总风量。图4中各巷道的风阻值采用阻力测试实验中得出的各风阻值。

AB巷道上的风阻值，最终实现风量调节的目的。根据理论推导得出风门执行器角度θ，然后通过上位机发出指令将风门执行器调成θ角。最后通过风速传感器测出实际风速，计算风量同目标风量Q′ab比较。

为了简化计算，调节之前，调节风门所在平面与AB巷道Rbc、Rcd、Rbd、轴线成0度角，在调节过程中总风量Q不变。Rac、Q′ab、Q′bc=Q-Q′ab，因此Q′bc也是已知的。R′ab、Q均为已知，Q′bc、Q′bd、Q′cd是未知的，因此根据节点风量平衡和回路风压

平衡列出式（5）：

ìQ′ab=Q′bc+Q′bd

ï

ïQ′cd=Q′bc+Q′cdí2222ïR′abQ′ab+RbcQ′bc=RacQ′acïRQ′2+RQ′2=RQ′2

cdcdbdbdîbcbc

（5）

化简得

22

(Rbc+Rcd-Rbd)Q′2bd-2(RbcQ′ab+RcdQ)Q′bdRbcQ′ab+RcdQ=0

先求出Q′

cd后再求出Q′bc和R′ab。调节风阻Rw的计算式为：

w′ab-Rab

6）

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R′ab，然后利用式（7）~（12）计算出风门执行器的调节角度。最

有效巷道断面积Sw计算式如式（7）：Sw=S/(1+0.759Rw)

（7）后通过上位机软件向风门执行器发送指令，使其调整θ角。调节完成，等待系统稳定后，通过上位机读取AB巷道的风速传感器传回的风速值，计算风量并与目标风量比较。

风门执行器旋转角度如图5所示。巷道断面所在平面为

x-y平面，风门执行器所在平面为x′-y平面，二平面之间的夹角为θ。

y

6

x′

结论

使用PVC管搭建小体积矿井模型，根据监测监控理论，采

用VisualBasic编写的上位机软件通过CAN-BUS总线采集压差和风速的模拟信号，并输出风门角度控制模拟信号，开发了矿井通风自动控制系统。

将压差传感器、风速传感器以及风门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

θ

x

图5风门执行器调节过程图以及可控风门的自动控制等功能。

确定了风门旋转角度与风量调节大小之间的关系，从而实现了风量的自动调节。

（8）（9）

模型调试完成后，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。该系统的完成对于模拟实验以及矿井通风智能诊断研究具有极其重要的意义。

设巷道的断面积为S，风门执行器与巷道断面的夹角为θ，则巷道的有效断面积Sw为：

Sw=S(1-cosθ)

求得风门执行器应旋转角度θ：

θ=arccos(1-Sw/S)

最后通过上位机软件向风门执行器发送指令，使其调整θ角。调节完成，等待系统稳定后，通过上位机读取AB巷道的风速传感器传回的风速值，计算风量并与目标风量比较。

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5.4角联结构分析实验

角联分支的确定、角联分支的识别是分析网络稳定性与

可靠性分析理论中的核心内容[4]。

如图所示，很明显BC分支是一条角联风路。实验内容如下：（1）角联分支方向判别。

（2）调节风门执行器角度，改变角联巷道风流方向。角联分支内风流方向与其自身的风阻值无关，而只与Rab/RbdRac/Rcd的大小有关，因此只要改变Rab的值即可达到

目的。

首先确定角联分支改变方向的AB分支的临界风阻值（上接187页）

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[10]吴剑煌，刘伟军，王天然.面向三角网格的自适应细分[J].计算机

，32.

5结论

本文利用顶点和面片之间的数量关系，提出了一种新的全

局细分方法，并通过控制局部与平均的三角网格面积比率来实现不同的需要。虽然本文算法比蝶形模式、改进的蝶形模式和但可以用较少3等静态细分模式在网格均匀程度上相对较差，

的面片表达模型得到与均匀细分一样的曲面质量，并可以减少模型的存储空间和渲染时间。利用本文算法可以快速提高模型的表面光滑度，这在三维模型分割和基于模型表面实现的骨架提取中有重要应用。实验也证明了算法的有效性和高效性。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/p47j.html