一种矿用局扇通风控制系统技术领域
本发明涉及矿业系统井下通风技术，尤其涉及一种矿用局扇通风控制系统。
背景技术
目前，井下局扇通风大多使用电机直接启动，风流依靠风门调节，主要存在问题是电机直起电流过大，气动风压过大，会对管道造成损害，并且风门控制流速属耗能型调节，耗能严重，工位需专人实时操作，耗时耗力。而且，目前的变频器局扇控制装置，一般仅是针对瓦斯浓度进行调节，缺乏对风流及其它井下有害气体浓度(如CO2，CO，H2S等)的控制。同时，由于局扇通风对于矿井的重要性，要求必须一用一备，防止一套供电电源故障的情况下，备用局扇能够投入使用，尽量降低局扇由于其它原因停止供风的可能性。基于目前的局扇通风系统存在的上述问题，亟需开发一种新型的通风控制系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种矿用局扇通风控制系统，能够使得局扇通风系统实现针对多种有害气体的自动化通风控制。
为了达到上述目的，本发明提出了一种矿用局扇通风控制系统，该系统包括：传感器、控制器以及变频器。
传感器，用于实时检测井下多种气体的浓度以及风流的风速风压，并将检测结果发送给控制器。
控制器，用于接收到多种气体的浓度信息时，将除瓦斯气体以外的其他检测到的气体的浓度与预置的该气体对应的允许浓度进行比较，根据比较结果向变频器发出相应的控制指令，控制局扇的输出风量，使其他检测到的气体的浓度保持在允许范围内，并当其他检测到的气体的浓度在预置范围内时，对瓦斯气体的浓度进行调节。
还用于接收到风流的风速风压信息时，将风速风压信息与预置的井巷的最大允许风速相比较，根据比较结果向变频器发出相应的控制指令，控制局扇的输出风量。
变频器，用于接收到控制器发送的所述控制指令时，以相应的频率控制局扇输出不同的风量。
优选地，传感器包括瓦斯气体浓度传感器、其他有害气体浓度传感器和风速风压传感器。
瓦斯气体浓度传感器包括第一传感器、第二传感器和第三传感器；第一传感器为迎头瓦斯气体浓度传感器、第二传感器为回风处瓦斯气体浓度传感器、第三传感器为回风巷混合风流瓦斯气体浓度传感器，分别用于检测工作面处、回风处和回风巷处瓦斯气体的浓度。
其他有害气体浓度传感器包括：一氧化碳CO浓度传感器、二氧化碳CO2浓度传感器、硫化氢H2S浓度传感器、二氧化硫SO2浓度传感器、氨气NH3浓度传感器，分别用于检测井下CO浓度、CO2浓度、H2S浓度、SO2浓度和NH3浓度。
风速风压传感器，用于检测井下各处的风速信息及风压信息。
优选地，控制器根据比较结果向变频器发出相应的控制指令，控制局扇的输出风量，使其他有害气体的浓度保持在允许范围内，并当其他有害气体的浓度在预置范围内时，对瓦斯气体的浓度进行调节是指：
当其他有害气体的浓度大于或等于允许浓度的90％时，控制器向变频器发出以第一频率运行的指令；当其他有害气体的浓度小于允许浓度的90％，大于或等于允许浓度的80％时，控制器向变频器发出以小于第一频率的频率运行的指令；当其他有害气体的浓度小于所述允许浓度的80％时，控制器对瓦斯气体的浓度进行调节；第一频率为局扇以最大允许风速运行的频率。
优选地，
当其他有害气体的浓度小于允许浓度的80％时，控制器对瓦斯气体的浓度进行调节是指：控制器以第三传感器的瓦斯检测浓度小于预置的第一阈值为控制目标对瓦斯气体的浓度进行调节，包括以下步骤：
A、控制器处理所述第三传感器的瓦斯检测浓度；
B、当第三传感器的瓦斯检测浓度大于或等于第一阈值时，通过调节变频器的输出频率调节局扇的输出风量，使局扇的风机以最低转速运行，并报警、断电、闭锁；通过扩散自行将第三传感器处的瓦斯浓度降到第一阈值以下。
C、当第三传感器处的瓦斯浓度小于预置的第二阈值时，控制局扇加大输出风量，排出工作面和回风处的瓦斯。
D、返回步骤A；并且控制器处理位于工作面处的第一传感器和位于回风处的第二传感器的瓦斯检测浓度。
E、当第一传感器和第二传感器的瓦斯检测浓度大于或等于预置的第三阈值时，控制局扇加大工作面和回风处的输出风量；使局扇的风机以最大允许风速运行，并报警、断电、闭锁；当第一传感器和第二传感器的瓦斯检测浓度降到小于预置的第四阈值时，或者当初始检测的第一传感器和第二传感器的瓦斯检测浓度小于第三阈值时，通过PID调节控制局扇在工作面和回风处的输出风量，使第一传感器和第二传感器的瓦斯检测浓度保持小于第三阈值。
优选地，第一阈值为：空气含量的1％；第二阈值为：空气含量的0.9％；第三阈值为：空气含量的1.5％；第四阈值为：空气含量的1％。
优选地，控制器根据比较结果向变频器发出相应的控制指令，控制局扇的输出风量是指：
当风速风压信息中包含的风速信息小于或等于最大允许风速时，控制器向变频器发出以当前频率运行的控制指令，控制局扇以当前风速输出风量；当风速风压信息中包含的风速信息大于最大允许风速时，控制器向变频器发送以小于当前频率并小于第一频率的频率运行的控制指令，控制局扇降到最大风速以下运行。
优选地，井巷包括四种井巷，第一种井巷包括运输机巷、采区巷和回风巷；第二种井巷包括采煤工作面以及掘进中的煤巷和半煤巷；第三种井巷包括掘进中的岩巷；第四种井巷包括除上述井巷以外的其它井下行人巷道。
其中，第一种井巷的最大允许风速为6m/s，最小允许风速为0.25m/s。
第二种井巷的最大允许风速为4m/s，最小允许风速为0.25m/s。
第三种井巷的最大允许风速为4m/s，最小允许风速为0.15m/s。
第四种井巷的最大允许风速为8m/s，最小允许风速为0.25m/s。
优选地，
多种传感器还包括温度湿度传感器和氧气O2浓度传感器。
温度湿度传感器用于检测井下环境的温度和湿度。
O2浓度传感器用于检测井下O2浓度；其中，O2的允许浓度为大于或等于空气含量的20％。
优选地，该系统还包括人机界面，人机界面与控制器连接；人机界面包括显示窗口和输入窗口。
显示窗口，用于显示传感器的检测数据，以及控制器、变频器和电源系统的运行参数；
输入窗口，用于改变控制器、变频器以及电源系统的运行参数。
优选地，
变频器包括第一变频器和第二变频器，第一变频器和第二变频器互为冗余。
该系统还包括电源系统，电源系统包括第一电源系统和第二电源系统，第一电源系统和所述第二电源系统互为冗余。
第一变频器与第一电源系统相互连接；第二变频器与第二电源系统相互连接。
与现有技术相比，本发明包括：传感器、控制器以及变频器。传感器，用于实时检测井下多种气体的浓度以及风流的风速风压，并将检测结果发送给控制器。控制器，用于接收到多种气体的浓度信息时，将除瓦斯气体以外的其他检测到的气体的浓度与预置的该气体对应的允许浓度进行比较，根据比较结果向变频器发出相应的控制指令，控制局扇的输出风量，使其他检测到的气体的浓度保持在允许范围内，并当其他检测到的气体的浓度在预置范围内时，对瓦斯气体的浓度进行调节。还用于接收到风流的风速风压信息时，将风速风压信息与预置的井巷的最大允许风速相比较，根据比较结果向变频器发出相应的控制指令，控制局扇的输出风量。变频器，用于接收到控制器发送的所述控制指令时，以相应的频率控制局扇输出不同的风量。通过本发明的方案，能够使得局扇通风系统实现针对多种有害气体的自动化通风控制。
附图说明
下面对本发明实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本发明的进一步理解，与说明书一起用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限制。
图1为本发明的矿用局扇通风控制系统框图；
图2为本发明的传感器组成框图；
图3为本发明的变频器器组成框图；
图4为本发明的人机界面组成框图；
图5为本发明的电源系统组成框图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述，并不能用来限制本发明的保护范围。
2013年神华神东煤碳集团公司提出数字化矿山概念，并做具体实施，其目的主要是通过数字化信息化技术使得井下设备尽量实现无人值守，提高劳动生产效率，降低井下作业人员数量，提高安全可靠性。
对于矿山企业的升级，本发明开发了新一代双电源双变频局部通风机自动调速系统，该系统内置相互隔离两套局扇自动调速系统，相互通讯内部完成，适用于煤矿井下具有瓦斯、煤尘爆炸危险的场合。首次将节风流，风压，瓦斯及其它有害气体浓度的调节融入一体，自动检测混合风浓度调节风量。该产品独双机故障自动切换。较以往产品优化了结构，整合了系统，方便维修维护，大大降低了使用门槛和维护工作量，提高了使用效率，节约维护时间。
具体地，本发明提出了一种矿用局扇通风控制系统01，如图1所示，该系统包括：传感器02、控制器03以及变频器04。
传感器02，用于实时检测井下多种气体的浓度以及风流的风速风压，并将检测结果发送给控制器03。在本发明实施例中，可以采用多个不同种类的传感器共同实现，也可以用集成式的传感器实现。并且可以通过mudbus、RS-485、2S通讯接口连接，最多可联接32路传感器信号。本发明实施例的通讯系统满足多种通讯协议(DEVICENET。DH+，485通讯，以太网通讯接口)，并能实现远程光纤通讯的需要，快速检测及反应状态变化，增加了风压风流及其它有害气体的检测及控制。
优选地，传感器02包括瓦斯气体浓度传感器021、其他有害气体浓度传感器022和风速风压传感器023，如图2所示。
瓦斯气体浓度传感器021包括第一传感器0211、第二传感器0212和第三传感器0213；第一传感器0211为迎头瓦斯气体浓度传感器、第二传感器0212为回风处瓦斯气体浓度传感器、第三传感器0213为回风巷混合风流瓦斯气体浓度传感器，分别用于检测工作面处、回风处和回风巷处瓦斯气体的浓度。
其他有害气体浓度传感器022包括：一氧化碳CO浓度传感器、二氧化碳CO2浓度传感器、硫化氢H2S浓度传感器、二氧化硫SO2浓度传感器、氨气NH3浓度传感器，分别用于检测井下CO浓度、CO2浓度、H2S浓度、SO2浓度和NH3浓度。
其中，第一传感器0211的允许浓度为小于空气含量的1.5％；第二传感器0212的允许浓度为小于空气含量的1％；第三传感器0213的允许浓度为小于空气含量的1％。
CO的允许浓度为小于空气含量的0.0024％；CO2的允许浓度为小于空气含量的5％；H2S的允许浓度为小于空气含量的0.00066％；SO2的允许浓度为小于空气含量的0.0005％；NH3的允许浓度为小于空气含量的0.004％。
风速风压传感器023，用于检测井下各处的风速信息及风压信息。
优选地，
传感器02还包括温度湿度传感器024和氧气O2浓度传感器025。
温度湿度传感器024用于检测井下环境的温度和湿度。
O2浓度传感器025用于检测井下O2浓度；其中，O2的允许浓度为大于或等于空气含量的20％。
控制器03，用于接收到多种气体的浓度信息时，将除瓦斯气体以外的其他检测到的气体的浓度与预置的该气体对应的允许浓度进行比较，根据比较结果向变频器发出相应的控制指令，控制局扇的输出风量，使其他检测到的气体的浓度保持在允许范围内，并当其他检测到的气体的浓度在预置范围内时，对瓦斯气体的浓度进行调节。
还用于接收到风流的风速风压信息时，将风速风压信息与预置的井巷的最大允许风速相比较，根据比较结果向变频器04发出相应的控制指令，控制局扇的输出风量。
在本发明实施例中，控制器03选用了可编程逻辑控制器PLC，PLC控制技术：通过软件编程控制系统，主要是使用于井下双机双电源故障切换，地面监控及操作系统对接，传感器信息采集数据分析。
优选地，控制器03根据比较结果向变频器04发出相应的控制指令，控制局扇的输出风量，使其他有害气体的浓度保持在允许范围内，并当其他有害气体的浓度在预置范围内时，对瓦斯气体的浓度进行调节是指：
当其他有害气体的浓度大于或等于允许浓度的90％时，控制器03向变频器04发出以第一频率运行的指令，使局扇以所述最大允许风速运行；当其他有害气体的浓度小于允许浓度的90％，大于或等于允许浓度的80％时，控制器03向变频器04发出以小于第一频率的频率运行的指令，使局扇在所述最大允许风速以下运行；当其他有害气体的浓度小于所述允许浓度的80％时，控制器03对瓦斯气体的浓度进行调节；第一频率为局扇以最大允许风速运行的频率。
优选地，
当其他有害气体的浓度小于允许浓度的80％时，控制器03对瓦斯气体的浓度进行调节是指：控制器03以第三传感器0213的瓦斯检测浓度小于预置的第一阈值为控制目标对瓦斯气体的浓度进行调节，包括以下步骤：
A、控制器03处理第三传感器0213的瓦斯检测浓度。
B、当第三传感器0213的瓦斯检测浓度大于或等于第一阈值时，通过调节变频器04的输出频率调节局扇的输出风量，使局扇的风机以最低转速运行，并报警、断电、闭锁；通过扩散自行将第三传感器0213处的瓦斯浓度降到第一阈值以下。
C、当第三传感器0213处的瓦斯浓度小于预置的第二阈值时，控制局扇加大输出风量，排出工作面和回风处的瓦斯。
D、返回步骤A；并且控制器03处理位于工作面处的第一传感器0211和位于回风处的第二传感器0212的瓦斯检测浓度。
E、当第一传感器0211和第二传感器0212的瓦斯检测浓度大于或等于预置的第三阈值时，控制局扇加大工作面和回风处的输出风量；使局扇的风机以最大允许风速运行，并报警、断电、闭锁；当第一传感器0211和第二传感器0212的瓦斯检测浓度降到小于预置的第四阈值时，或者当初始检测的第一传感器0211和第二传感器0212的瓦斯检测浓度小于第三阈值时，通过PID调节控制局扇在工作面和回风处的输出风量，使第一传感器0211和第二传感器0212的瓦斯检测浓度保持小于第三阈值。
优选地，第一阈值为：空气含量的1％；第二阈值为：空气含量的0.9％；第三阈值为：空气含量的1.5％；第四阈值为：空气含量的1％。
优选地，控制器03根据比较结果向变频器04发出相应的控制指令，控制局扇的输出风量是指：
当风速风压信息中包含的风速信息小于或等于最大允许风速时，控制器03向变频器04发出以当前频率运行的控制指令，控制局扇以当前风速输出风量；当风速风压信息中包含的风速信息大于最大允许风速时，控制器03向变频器04发送以小于当前频率并小于第一频率的频率运行的控制指令，控制局扇降到最大风速以下运行。
优选地，井巷包括四种井巷，第一种井巷包括运输机巷、采区巷和回风巷；第二种井巷包括采煤工作面以及掘进中的煤巷和半煤巷；第三种井巷包括掘进中的岩巷；第四种井巷包括除上述井巷以外的其它井下行人巷道。
其中，第一种井巷的最大允许风速为6m/s，最小允许风速为0.25m/s。
第二种井巷的最大允许风速为4m/s，最小允许风速为0.25m/s。
第三种井巷的最大允许风速为4m/s，最小允许风速为0.15m/s。
第四种井巷的最大允许风速为8m/s，最小允许风速为0.25m/s。
变频器04，用于接收到控制器发送的控制指令时，以相应的频率控制局扇输出不同的风量。
在本发明实施例中，变频器04使用DTC(直接转矩控制技术)，无速度传感器矢量控制方式，变频器结构采用交-直-交电压型电路结构，预充电回路使用二级管串电阻单相充电，运行分离，相对其它变频器，充电速度快，体积小，元件少，直流回路使用薄膜电容进行整流后直流波形滤波，特点，发热小，使用寿命比一般电解电容多4倍。变频器结构体的优化，使之适合用于设计柜体的安装检修及维护。
优选地，该系统还包括人机界面05，如图4所示，人机界面05与控制器03连接；人机界面05包括显示窗口051和输入窗口052。
显示窗口051，用于显示传感器的检测数据，以及控制器、变频器和电源系统的运行参数；
输入窗口052，用于改变控制器03、变频器04以及电源系统的运行参数。
优选地，
变频器04包括第一变频器041和第二变频器042，如图3所示，第一变频器041和第二变频器042互为冗余。
该系统还包括电源系统06，如图5所示，电源系统包括第一电源系统061和第二电源系统062，第一电源系统061和所述第二电源系统062互为冗余。
第一变频器041与第一电源系统061相互连接；第二变频器042与第二电源系统062相互连接。
在本发明实施例中，基于双变频器和双电源的冗余设计，在控制柜的结构上也做了特珠设计。
控制柜体结构设计满足双变频双电源结构需要，两套系统相对隔离，柜体设置独特的开门断电闭锁、分闸停机闭锁的机械结构，即隔离开关合闸时，机械闭锁，柜门无法打开，当柜门打开时，隔离开关机械闭锁不能送电，防止检修时突然送电，造成人员伤害，系统运行时机械闭锁，不能分断隔离开关，防止带载断电造成拉弧放电现象。
需要说明的是，以上所述的实施例仅是为了便于本领域的技术人员理解而已，并不用于限制本发明的保护范围，在不脱离本发明的发明构思的前提下，本领域技术人员对本发明所做出的任何显而易见的替换和改进等均在本发明的保护范围之内。