CN109752163A - 一种基于虚拟仪器的集约化矿井通风网络风阻在线测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于虚拟仪器的集约化矿井通风网络风阻在线测量方法，由一体化工业控制上位机和下位机构成，上、下位机之间采用以太网通信。所述上位机应用软件包括物理通道选项、采样率选项、读取数据个数选项和“开始采集”键等，用波形图实时显示压力值、风量、负压及风阻的变化。所述下位机测量的数据由负压传感器、干湿度传感器、温度传感器和大气压力传感器提供，上述矿用传感器均可自动校正，实现矿井通风网络参数的在线检测和高精度无损测量，进而利用工业控制计算机求得矿井通风阻力。此方法便于矿井工作人员实时地对井下情况进行监控，有利于矿井通风系统的智能调控与超前预警，精准高效。
Description
技术领域
本发明属于矿山安全测试装置，尤其涉及一种基于虚拟仪器的集约化矿井通风网络风阻在线测量方法。
背景技术
《煤矿安全规程》(2016版)规定：新矿井投产前必须进行1次矿井通风阻力测定，以后每3年至少进行1次。矿井转入新水平生产或改变一翼通风系统后，必须重新进行矿井通风阻力测定。
通过测定各种类型井巷的通风阻力、风量等，以提供实际的风阻值和摩擦阻力系数值，将其编集成册，作为矿井通风技术管理的基本资料。井巷的风阻是反映井巷通风特性的重要参数，通过测定一定路线的井巷的风压、风量、空气密度等，为网络解算等提供基础参数。了解现有通风系统中阻力分布情况，发现通风阻力较大的区段和地点，为了使通风系统更为经济合理，为下一步提出切合实际的改进意见提供依据。作为矿井扩建、延深等提供有关通风设计数据的依据，为下一步进行通风系统优化等提供参考。
随着“一矿一面”理念和实践的不断深入，井下每一条独立的巷道均建立通风阻力测定子系统已成可能。将矿井通风阻力测定系统与矿井监控系统对接，便可实现“一矿一面”通风阻力的实时监测。这不仅能够节省目前常用的压差计法测矿井通风阻力所需的资源，避免人为因素造成的测量误差，实现高精度矿井通风网络参数的在线测量，还有利于矿井通风系统的智能调控与超前预警。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于虚拟仪器的集约化矿井通风网络风阻在线测量方法，用于矿井风量及通风阻力测定。为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明是一种基于虚拟仪器的集约化矿井通风网络风阻在线测量方法，由一体化工业控制上位机与下位机系统构成，上、下位机之间采用以太网通信；所述下位机系统包括PLC和各类传感器，用于采集通风系统的各种参数。
所述上位机应用软件平台为LabVIEW，LabVIEW软件利用计算机强大的图形环境，采用可视化图形编程语言，在计算机屏幕上建立与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他控制部件来替代常规的传统仪器面板。用户通过鼠标或键盘操作软面板，来检验仪器的通信和工作；利用MATLABScript节点技术，用户可将MATLAB程序导入到LabVIEW程序框图中，在LabVIEW中使用MATLAB强大的数值运算功能，实现LabVIEW与MATLAB的混合编程，简单实用。
进一步，所述下位机PLC的控制核心CPU模块选用西门子CPU1214C，该CPU模块包含以太网接口，可以用以太网与上位机通信。所述PLC由本安电源供电，硬件层还包括SD卡，模拟量输入（AI）模块和RS485通信模块。
进一步，所述各类传感器包括负压传感器、干湿度传感器、温度传感器和大气压力传感器，所有传感器均为本质安全型设备。所述负压传感器选用的型号为KG3033，干湿度传感器选用GSD100，温度传感器选用GWP200，均采用RS485通信，输出数字信号。基于总线通信方式，系统可以借助软件远程对上述传感器进行校正处理，去除温漂及零点漂移所带来的误差，以得到正确的测量结果，节省人力物力，安全高效。所述大气压传感器选用WH131，采用模拟量电压输出0~5V DC。
进一步，所述PLC支持RS485通信，用于实时获取负压传感器、干湿度传感器和温度传感器测量的数据；所述PLC通过AI模块获取大气压力传感器测量的数据；所述PLC的CPU模块实时控制各功能模块，保证系统协调运行和数据互通。
进一步，所述负压传感器用于测量井下全压与静压数据；所述干湿度传感器测量井下空气干湿度数据；所述温度传感器测量巷道温度数据；所述大气压力传感器测量井下大气压力数据。上述传感器均垂直吊装，且距巷壁不小于0.2m，距顶板不大于0.3m。
进一步，所述PLC将各类传感器采集的数据通过以太网发送给工业控制计算机，工业控制计算机通过虚拟仪器LabVIEW将处理后的信息显示在显示器上。
进一步，所述的应用软件可以实现风量、负压和风阻参数的实时测量与存储，利用计算机丰富的软件资源，实现部分仪器硬件的软件化，增加了系统的灵活性；通过软件技术和数值算法，实时对测试数据进行各种分析与处理。通过图形用户界面（GUI）技术，以通风系统模拟图为基础，结合动画、波形图等多媒体方式实时显示压力值、风量、负压及风阻的变化，使工作人员可以迅捷直观地掌握实时数据的变化情况，实现平台嵌入化和通讯全局化，提升了软件的可扩展性和可移植性，真正做到界面功能直观、人机交互便捷。软件设计的功能还包括物理通道选项、采样率选项、读取数据个数选项、缓存器大小选项、“开始采集”键和“数据清零”键等，供高级用户使用。
进一步，本发明借助软件程序实现传感器的自动校准，克服传感器随环境、温度等因素产生的误差，消除零点漂移。自校正系统包括传感器、自校准芯片以及外围电路。所述自校准系统，在传感器初始化条件下，设置三组变量数据，输入电压VI不变，校正芯片参数改变，根据输出状态的不同，求得校准芯片的参数补偿值P。在此基础上，通过以下方法获取不同矿井环境下的补偿参数集：目标值Vm=Vd*M1/M2， 其中Vd为当前传感器的驱动电压，M1为设定输出的最大跨度值，M2为最大输入和最小输入时输出的跨度值。采用最佳平方逼近算法多次调整满量程补偿值FC，直至Vd=Vm；在最小输入且VD=VM时，多次调整零点补偿值OC，直至传感器的输出达到设定的零点目标值。根据FC与OC以及多组被测矿井环境变量条件下的校准补偿值P，采用拉格朗日插值法即可获得补偿参数集。将补偿参数集和自校准芯片的配置参数P写入自校准芯片的存储空间，用于传感器系统运行过程中调取对应实时特定环境变量的校准补偿值，实现矿井传感器的自动校准。
相对于现有技术，本发明通过虚拟仪器LabVIEW编写的上位机，实现通风网络参数自动、连续、在线测量，该方法能够节省目前测矿井通风阻力时所需的人力物力；工作人员不需要进入现场，在巷道首、尾端同步测量全压静压，通过各类传感器进行数据的融合，可以实现风量的无损测量，进而降低风阻测量误差，实现矿井通风网络参数的高精度在线检测，避免人为因素等造成的测量误差；所选的测量传感器基于总线通信方式，通过上位机软件可以远程实现传感器的自动校准，使其不受温度变化和电源电压不稳定等因素的影响，克服零点漂移；现场数据采集速率高，可以使用卡尔曼滤波算法对传感器测量获得的数据进行处理，更便捷高效地提炼出对指导井下实际生产有意义的数据，让决策更加科学，有利于矿井通风系统的智能调控与超前预警。
附图说明
图1为本发明的测量软件流程图。
图2为本发明的硬件框图。
图3为本发明的传感器布置图。
图中：10-负压传感器一；20-负压传感器二；30-负压传感器三；40-干湿度传感器；50-温度传感器；60-大气压力传感器；100-巷道1；200-PLC；300-本安电源供电；400-工业控制计算机；500-显示器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参照图1、图2和图3所示，一种基于虚拟仪器的集约化矿井通风网络风阻在线测量方法，包括负压传感器一10，负压传感器二20，负压传感器三30，干湿度传感器40，温度传感器50，大气压力传感器60，PLC200，本安电源供电300，本安电源供电400，显示器500。
具体实施时，在通风系统图上选择测定的主要路线和次要路线。在通风系统图上按选定测定路线布置测点，并按顺序编号；然后再按井下实际情况确定测点位置，并作标记。
测点应在分风点或合风点前(或后)处选定。选在前方不得小于巷道宽度的3倍；选在后方不得小于巷道宽度的8倍；需要在巷道转弯处、断面变化大的地方选点时，选在前方不得小于巷道宽度的3倍；选在后方不得小于巷道宽度的8倍；测点前、后3m内巷道应支护良好，巷道内无堆积物；两测点间的压差应不小于20Pa。
从测点A开始，在测点A、B两处各设置一个皮托管，一般在测点B的下风侧6～8m处安设负压传感器。皮托管应设置在风流稳定的地点，正对风流；负压传感器应靠近巷道壁安设。橡胶管要防止折叠和被水、污物等堵塞，待橡胶管内的空气温度等于巷道内的空气温度后，将两个橡胶管安在负压传感器上。
负压传感器一10测量断面A的静压，记为h静；负压传感器二20测量断面A的全压，记为h全1；由此计算出断面A的动压，记为hv；负压传感器三30测量断面B的全压，记为h全2；传感器将信号发送给PLC200，并通过以太网发送给工业控制计算机400，最终将结果显示在虚拟仪器LabVIEW的显示器500上。
干湿度传感器40测量巷道的干湿度，记为ψ；温度传感器50测量巷道的温度，记为t；大气压传感器60测量巷道的大气压力，记为Po；测点温度为t℃时，利用大气压传感器测量空气的绝对饱和水蒸汽压力，记为 Psh；传感器将信号发送给PLC200，并通过以太网发送给工业控制计算机400，最终将结果显示在虚拟仪器LabVIEW的显示器500上。
工业控制计算机400根据空气密度的计算公式
求得巷道当前的空气密度。
工业控制计算机400根据动压的计算公式hd=ρv2/2，求得当前巷道的风速。
工业控制计算机400根据矿井风量的计算公式qv=Sv，求得当前巷道的流量。
工业控制计算机400计算断面A和B的全压之差ΔH=h全1-h全2。
工业控制计算机400根据风阻计算公式R=ΔH/qv 2，计算出该巷道的通风阻力。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于虚拟仪器的集约化矿井通风网络风阻在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在通风系统图上选择测定的主要路线和次要路线。在通风系统图上按选定测定路线布置测点，并按顺序编号。然后再按井下实际情况确定测点位置，并作标记。
步骤二：测点应在分风点或合风点前(或后)处选定。选在前方不得小于巷道宽度的3倍；选在后方不得小于巷道宽度的8倍；需要在巷道转弯处、断面变化大的地方选点时，选在前方不得小于巷道宽度的3倍；选在后方不得小于巷道宽度的8倍；测点前、后3m内巷道应支护良好，巷道内无堆积物；两测点间的压差应不小于20Pa。
步骤三：从测点A开始，在测点A、B两处各设置一个皮托管，一般在测点B的下风侧6～8m处安设负压传感器。皮托管应设置在风流稳定的地点，正对风流。负压传感器应靠近巷道壁安设。橡胶管要防止折叠和被水、污物等堵塞，待橡胶管内的空气温度等于巷道内的空气温度后，将两个橡胶管安在负压传感器上。
步骤四：计算矿井通风阻力，具体步骤如下：
(1)负压传感器一测量断面A的静压，记为h静；负压传感器二测量断面A的全压，记为h全1；由此计算出断面A的动压，记为hv；负压传感器三测量断面B的全压，记为h全2；传感器将信号发送给PLC，并通过以太网发送给工业控制计算机，最终将结果显示在虚拟仪器LabVIEW的显示器上。
(2)干湿度传感器测量巷道的干湿度，记为ψ；温度传感器测量巷道的温度，记为t；大气压传感器测量巷道的大气压力，记为P0；测点温度为t℃时，利用大气压传感器测量空气的绝对饱和水蒸汽压力，记为Psh。传感器将信号发送给PLC，并通过以太网发送给工业控制计算机，最终将结果显示在虚拟仪器LabVIEW的显示器上。
(3)工业控制计算机根据空气密度的计算公式
求得巷道当前的空气密度。
(4)工业控制计算机根据动压的计算公式hd＝ρV2/2，求得当前巷道的风速。
(5)工业控制计算机根据矿井风量的计算公式qv＝SV，求得当前巷道的流量。
(6)工业控制计算机计算断面A和B的全压之差ΔH＝h全1-h全2。
(7)工业控制计算机根据风阻计算公式R＝ΔH/qv 2，计算出该巷道的通风阻力。
2.根据权利要求书1所述的一种基于虚拟仪器的集约化矿井通风网络风阻在线测量方法，其特征在于，系统由一体化工业控制上位机和下位机构成，上、下位机之间采用以太网通信。所述上位机应用软件包括物理通道选项、采样率选项、读取数据个数选项、缓存器大小选项、“开始采集”键、“数据清零”键等，以波形图等多媒体方式实时显示压力值、风量、负压及风阻的变化。所述下位机PLC的控制核心CPU模块选用西门子CPU1214C，包含以太网接口，可以用以太网与上位机通信；所述PLC由本安电源供电，硬件层还包括SD卡，模拟量输入AI模块和RS485通信模块；所述PLC在实时方式下工作，控制各功能模块之间的运行和通信。
3.根据权利要求书2所述的一种基于虚拟仪器的集约化矿井通风网络风阻在线测量方法，其特征在于，所述PLC支持RS485通信，用于实时获取负压传感器、干湿度传感器和温度传感器测量的数据，通过AI模块获取大气压力传感器测量的数据；所述PLC的CPU实时控制各功能模块，保证系统协调运行和数据互通。所述PLC将各类传感器的信息通过以太网发送给工业控制计算机，工业控制计算机通过虚拟仪器LabVIEW将处理后的信息显示在显示器上以供工作人员参考。
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