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矿井通风安全监控系统优化研究

2024-09-02 60 上传者：管理员

摘要：在传统通风系统监控体系的基础上，综合运用先进的信号采集运输技术，通过CAN总线以及风压监测设备进行了矿井通风安全监控系统的总体设计优化。分析风压传感器自校正方法的不足，提出运用灰色预测理论进行自校正，为提高风压传感器输出的精准度提供了理论支持。优化后该系统可以更加全面实时地进行监测，为矿井智能化通风建设提供了技术支撑。

关键词：
井下通风
信号采集
安全监控
矿井通风
风压监测
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在煤矿安全生产的过程中通风系统的稳定工作是防治瓦斯爆炸、窒息、煤尘及煤自燃事故的前提条件，可以大幅提高矿井的防灾减灾的能力。因此，实时掌控煤矿井下通风网络的运行状态，监测不同用风位置处的风压趋势，从而根据风压规律判断矿井整个通风网络是否处于稳定安全状态是煤矿安全生产中的重中之重。目前我国已建立的煤矿安全监控系统存在着实时性差、所选用的I/O电缆铺设成本高且可靠性低的缺点。为了提高矿井通风监测系统的实时性和可靠性，本文主要对风压监测手段及信息传输方式进行了研究，采用CAN总线来代替I/O电缆，并以灰色理论为基础建立智能风压监测系统。优化后的通风系统实现了煤矿通风监测的自动化、智能化，并降低了建设成本，为矿井的智能化通风建设提供了理论支持。

1、矿井通风安全监控系统架构

矿井通风安全监控系统需要满足通风系统稳定工作、建设成本低且系统维修及升级方便快捷的要求。本文根据煤矿井下通风系统的需求建立的监控系统的总体架构，包含通信线路、中央集中控制室及井下监控单元，如图1所示。

图1监控系统结构框图

整个监控系统中，井下的监控单元是至关重要的关键环节。监控单元可以实现对现场工作面供风设备状态的实时数据收集和控制，并且将实时收集得到的数据信息进行存储及分析，把结果通过传输线路上传到中央控制室的远程计算机，同时接收计算机发出的指令。井下的监控单元包含CPU部分、监控模块与上位机的通信模块、监控单元与各监测点的通信模块、监控单元的输入和输出模块、监控单元的人机接口模块。

在监控系统中现场总线的选择也是非常重要的。现场总线能够使得现场监控设备之间实现双向串行，起到设备之间关联纽带的作用；可以使得各节点的智能设备互相连接形成网络，从而实现井下现场的智能化、自动化系统的建立。目前煤矿常用的现场总线主要包括局域操作网络、现场总线基金FF、RS-485标准协议现场总线和控制器局域网络（CAN）。在4种现场总线中，CAN具有传输介质不受限制、可靠性高、可对每个节点进行传输且可过滤有用信息、可识别信息的重要性来有选择地进行报文传递、传输速率高等优点。因此本文的监控系统中采用CAN总线对整个系统进行连接。

根据上述分析，本文从3个层面建立煤矿井下的通风监控系统：①上层为地面中心控制室，利用上位机对数据进行接收、处理、分析并向下发出指令；②中间层是可以进行网络传输的一系列硬件设备；③下层是在工作面现场可以实际操作的下位机，包括监控分站及监测传感器。整个监控系统网络结构如图2所示，整个系统中使用了二级联网的方式来实现网络连接,第1层为由监控单元和现场工作面各节点的监控传感器构成的局域网络，第2层则是由监控单元和上位机构成的通信网络。

图2监控系统网络结构图

该监控系统采用了双电缆、双电源的冗余方法，在监测点安装2个总线驱动器及总线控制器，两者之间的连接还包含判断电路。在进行数据传递时，总线的控制器可以同步向2个驱动器递送同样的数据信息。在接收数据时，设置的判断电路可以自动识别2对总线的前后传输时差，从而选取其中的1对将报文发送到控制器。通过以上的流程，当系统在运行的过程中其一对总线突然发生故障，则该线路与总线控制器之间就会通过判断电路进行关闭，不会影响到另一对线路的正常传输；同时判断电路可以对故障的线路进行预警，并通过故障诊断CPU将故障线路的情况汇报到上位机，从而对井上人员进行预警，派遣维修人员进行修理。采用上述的信息传输和组网方法得到的监控系统具有组网方便、易于扩充、系统运行稳定性高、抗干扰性强、利于后期维护和升级的优点。

2、基于灰色理论的智能风压传感器自校正技术

在上述矿井通风安全监控系统中，监控单元起到了至关重要的作用，因此对智能传感器的研究是整个系统的重要关注点。在监控系统中使用的风压智能传感器内置了微处理机技术，能够实现智能自主诊断、自动识别及自适应决策等功能；同时智能传感器还可以通过软件的算法来对其非线性进行修正，补偿其自身的系统误差和随机误差，能够大幅度提高智能传感器的精准度。

目前常用的传感器自校正技术包含误差模型修正、查表和搜索、插值、曲线拟合及神经网络等5种方法。当对系统的误差来源及设备的工作原理不清楚时，无法采用误差模型修正法；查表和搜索的方法虽然转换速度快捷、可以替换复杂耗时的转化操作，但是抛弃了存储空间；插值法拥有着算法简单、稳定性高的优点，但是保留了数据的全部测试误差，当有个别的数据结果偏离真实数据时，就会导致修正后的结果偏离实际；曲线拟合方法通过多项式来进行拟合校正，因此当公式较简单时就会出现精准度较低的情况，当公式复杂时又会增加计算量；神经网络算法目前应用比较广泛，所计算的结果比较准确，但是计算过程复杂，要求处理器必须具有足够的内存，不适用于普通的单片机。

本文为了弥补以上5种方法存在的不足，运用灰色预测理论来修正风压传感器。该算法具有所需原始数据量少、计算量小、计算速度快、便于单片机实现等优点。GM模型是灰色预测中最常用的一种模型，其建模思路：

(1）对原始数列{X(0)(t）}进行确定，并对原始数据进行简单处理以避免数据出现随机的可能；

(2）其次采用GM(1,1）模型，将经过1-AGO运算所得的{X(1)(t）}建立预测模型的白化形方程

对式（1）求解微分方程，得到预测模型表达式

(3）计算求出原始数据的预测值

在经过正则化后进行还原，得到预测值

(4）在得到预测模型后，检验模型的精度

(5）最终通过上述算法得到所需的预测值。

在风压传感器应用中，由传感器监测到的风压绝对误差再经过正则化后的累加处理，可以获得1组灰色预测的原始数据；然后再利用GM(1,1）模型对传感器的绝对误差值进行估计；最后通过单片机技术进行对传感器的动态补偿。运用灰色预测理论对风压传感器进行自修正的基本原理是使用GM(1,1）模型作为对测量参数进行估计的计算方式。其具体步骤：

(1）根据等差气压校正测点的风压传感器，校正后获得风压输出测量数值Cbs和标准风压值Cmeas，从而通过计算获得风压的绝对误差，即为预测所需的原始数据。风压的绝对误差

(2）以得到的原始数据为基础，利用单片机技术对原始数据进行处理，随后根据预测模型算法预测得到后续相同间隔的风压误差值，将预测的误差值形成1组离散数列。在该组数列中，相邻2点之间均可形成1条直线，根据直线可获得1组以直线斜率为组成部分的线段族，通过上述方法可达到逐渐靠近实际误差的目的。

(3）当工作面测点的风压传感器处于工作状态时，可将测量数值传输到单片机之中，经过单片机可以判断出测试数值位于某个输出区间，在该区间内挑选出输出测量值及上一步得到的数列。输出测量值

式中ΔC*———绝对误差估计值。

(4）获得最终的风压测量输出数值，输出到监控单元，完成传感器的自校正。

经过灰色预测理论改进得到的风压传感器自校正技术的优点体现在以下几方面：

(1）技术结构简单，可实现性高，精确度高；

(2）计算需要的原始数据量小，不需要复杂的大量测试来获得分段函数，能够便捷地在单片机上实现；

(3）能够轻易地融入到其他模型建模过程中，具有较高的适应能力。

3、结语

本文对煤矿通风安全状态监控系统进行了优化，在传统通风系统监控体系的基础上，综合运用先进的信号采集运输技术，利用CAN总线、风压监控设备相结合的理念进行了矿井通风安全监控系统的总体设计优化。分析了风压传感器的自校正方法存在的不足，提出利用灰色预测理论来改进风压传感器自校正技术，为提高风压传感器输出的精准度提供了理论支持。经过优化的系统可以更加全面、实时地对通风系统安全性进行监测，为矿井的智能化通风建设提供了理论支持。

参考文献:

[1]鲁锦涛,贾小榕,郭昕曜.基于改进灰色预测的瓦斯突出敏感指标分析[J].中国安全科学学报,2022,32(11):74-81.

[2]唐丽均,吴畏,刘世森.基于灰色预测模型的井下精确人员定位方法[J].工矿自动化,2021,47(8):128-132.

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[5]贾运红.煤矿采掘设备电控系统多总线实现[J].煤炭工程,2016,48(1):136-138.

[6]邓先明,杨宇,方荣惠.基于现场总线的煤矿供电自动化系统[J].电力自动化设备,2007(4):95-98.

文章来源:刘超.矿井通风安全监控系统优化研究[J].煤矿机械,2024,45(09):190-192.

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期刊名称：煤矿机械

期刊人气：2105

期刊详情

主管单位：国家煤矿安全监察局

主办单位：哈尔滨煤矿机械研究所

出版地方：黑龙江

专业分类：煤矿

国际刊号：1003-0794

国内刊号：23-1280/TD

邮发代号：14-38

创刊时间：1980年

发行周期：月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：1年以上

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