掘进工作面智能通风系统的设计
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摘 要
随着我国重工化日益加剧，煤炭需求量不断增加，煤矿安全是确保生产工作
正常进行的保障。长期以来瓦斯事故一直是制约煤矿安全生产的“瓶颈”，瓦斯
事故调查分析指出，瓦斯爆炸的根本性原因在于矿井的通风问题，通风设施欠佳、
通风系统不完善及通风不合理等，都会引起瓦斯积聚而发生爆炸。因此，要从根
本上杜绝瓦斯事故，就必须设计安全完善的通风系统。
本课题研究矿井掘进工作面局部通风智能控制系统，局部通风机是通风系统
电控设备中最关键的组成部分，它的灵活性和可靠性将直接影响掘进工作面的安
全生产。
本文设计了一种既能保障风机供电可靠性又能根据瓦斯浓度变化实时进行风
量调节的智能化变频调速集成控制系统，集信号检测、故障保护、变频调速、可
靠通讯于一体。该系统选用 SIEMENS 公司 SIMATIC S7-200 系列中的 CPU226 作
为控制核心单元，采用模糊控制和层次分析法相结合的思想，运用变频调速技术，
实现瓦斯的安全无超限排放，达到安全生产、节能运行的目的；针对低压矿井中
常见的漏电、短路、断相、过压、过载等故障，分别设计了漏电保护、电流保护
和电压保护；CPU226 PLC 用串行通讯方式控制变频器，选择 RS485 通信口，采
用ModBus 协议进行主从通讯，
Step7-MicrowinV4.0 编程软件设计通讯程序，并通
过试验验证了数据传输的准确性和控制策略的合理性。
关键词：局部通风机，模糊控制，层次分析法，变频调速，故障保护
ABSTRACT
With the growing of heavy industry in our country, the demands for coals are
increasing. Coal mine safety is a guarantee to ensure the normal production work. Gas
accidents, which has been the bottleneck of restricting the coal mine safety production.
According to the gas accident investigation analysis, the primary cause of gas explosion
is mine ventilation problems, such as poor ventilation system, unsuitable ventilation
system and so on. Therefore, in order to prevent gas accidents fundamentally, we must
design a perfect safety ventilation system.
The main research work involves the design for intelligent ventilation system of
heading face, local fan is an important part of electronic control equipment in mine
ventilation system and directly affects the safety production on heading face in
flexibility and reliability.
This paper designs a kind of intelligent frequency control integrated control system.
It not only can ensure fan power supply reliability, but also changes air volume
according to the change of gas concentration. It integrates signal detection, fault
protection, variable frequency speed regulation and reliable communications. This
system chooses SIMATIC S7-200 series of CPU226 in SIEMENS as control core unit,
which uses the fuzzy control and AHP combined control strategy and frequency
conversion technology to realize the gas safety without overloading emissions, achieve
the purpose of production safety and the energy efficiency. According to fault of leakage,
short circuit, loss of phase, over-voltage, overload and so forth in low voltage mine, it
separately designs leakage protection, current protection and voltage protection. The
CPU226 PLC communicates with the frequency converter through RS485 serial port
obeying Mod Bus agreement. The soft Step7-MicrowinV4.0 designs Communication
Programs, Verify the accuracy of the data transmission and reasonable control strategy
by the experiment.
Key Words: local fan, fuzzy control, AHP, frequency technology, fault
protection
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题的背景和意义 ............................................................................................1
§1.2 本课题研究的实际意义 ....................................................................................2
§1.3 掘进工作面通风系统的发展历程及未来趋势 ................................................2
§1.3.1 发展历程 ..................................................................................................2
§1.3.2 未来发展趋势 ..........................................................................................4
§1.4 课题的主要研究内容 ........................................................................................4
第二章 智能通风系统方案设计 .....................................................................................6
§2.1 系统控制方案 ....................................................................................................6
§2.1.1 控制方式 ..................................................................................................6
§2.1.2 变频调速控制策略 ..................................................................................7
§2.2 系统功能 ............................................................................................................7
§2.3 系统结构图 ........................................................................................................8
§2.4 系统选型 ............................................................................................................9
§2.4.1 CPU 的选型 .............................................................................................9
§2.4.2 变频器的选型 ........................................................................................10
§2.5 本章小结 ..........................................................................................................12
第三章 模糊控制和层次分析法在瓦斯排放中的应用 ...............................................13
§3.1 模糊控制的基本理论 ......................................................................................13
§3.1.1 模糊控制的产生背景及发展历程 ........................................................13
§3.1.2 模糊控制的数学基础 ............................................................................13
§3.1.3 模糊控制的基本原理 ............................................................................17
§3.2 双模糊控制器设计 ..........................................................................................19
§3.2.1 fuzzyI 的模糊控制器设计 .................................................................... 20
§3.2.2 fuzzyII 的模糊控制器设计 ................................................................... 24
§3.3 层次分析法的应用 ..........................................................................................26
§3.4 本章小结 ..........................................................................................................28
第四章 智能通风系统保护功能的实现 .......................................................................29
§4.1 漏电保护系统 ..................................................................................................29
§4.1.1 漏电的形成原因及危害 ........................................................................29
§4.1.2 人身触电分析 ........................................................................................29
§4.1.3 电网对地的绝缘值 ................................................................................31
§4.1.4 漏电保护的实现 ....................................................................................31
§4.2 电流保护系统 ..................................................................................................33
§4.2.1 过电流故障的形态以及危害 ................................................................33
§4.2.2 过电流保护系统的实现 ........................................................................33
§4.2.3 试验数据分析 ........................................................................................35
§4.3 电压保护系统 ..................................................................................................37
§4.3.1 电压故障特性分析 ................................................................................37
§4.3.2 过电压保护系统的实现 ........................................................................38
§4.3.3 试验数据分析 ........................................................................................38
§4.4 本章小结 ..........................................................................................................39
第五章 智能通风系统基于 simulink 的仿真研究及实现 ...........................................40
§5.1 MATLAB 模糊工具箱简介 ............................................................................40
§5.2 FuzzyI 模式下模糊控制器的仿真 ................................................................. 40
§5.2.1 利用工具箱建立模糊推理系统 ............................................................41
§5.2.2 基于 MATLAB/simulink 仿真 .............................................................. 43
§5.3 FuzzyII 模式下模糊控制器的仿真 ................................................................ 45
§5.4 模糊控制和层次分析法在 PLC 中的实现 .................................................... 45
§5.4.1 PLC 中模糊控制表的设计 ................................................................... 45
§5.4.2 模糊控制和层次分析法在 PLC 中的实现 .......................................... 45
§5.5 智能通风系统实验平台搭建 ..........................................................................46
§5.6 本章小结 ..........................................................................................................48
第六章 通讯程序设计 ...................................................................................................49
§6.1 PLC 通讯方式 ................................................................................................. 49
§6.1.1 CPU226 RS-485 引脚分配[44] ............................................................... 49
§6.1.2 CPU226 的通讯协议 .............................................................................49
§6.2 变频器通讯方式 ..............................................................................................51
§6.2.1 Modbus 通讯协议 ................................................................................. 51
§6.2.2 通讯帧结构 ............................................................................................51
§6.2.3 通讯帧的错误校验 ................................................................................53
§6.2.4 变频器参数设置 ....................................................................................54
§6.3 PLC 与变频器通讯的程序设计 ..................................................................... 55
§6.3.1 程序编译环境 ........................................................................................56
§6.3.2 程序设计 ................................................................................................56
§6.4 本章小结 ..........................................................................................................58
第七章 结论与展望 .......................................................................................................59
参考文献 .........................................................................................................................61
附录 .................................................................................................................................64
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................71
致谢 .................................................................................................................................72
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的背景和意义
本课题是与浙江华仪矿用电器设备有限公司合作的“基于 PLC 控制的矿用智
能电器关键技术研究及成套设备开发”项目的一部分。
能源是一个国家经济发展、社会进步的重要物质基础。对于有着丰富煤炭资
源的中国而言，煤炭无疑是一种不可或缺的能源。我国是最早使用煤的国家，从
1978 年到上世纪 90 年代，煤炭消费比重均占总能源消费的 70%以上，一般用于燃
烧、气化、炼焦、加氢液化等，截止 2004 年，煤炭消费比重仍保持在 67%左右。
这几年随着我国经济发展步入快车道，我国的煤炭消费比重呈直线上升趋势，在
未来长时间内，煤炭作为主要能源消费形势将不会改变，因此煤炭的安全生产和
科学利用在我国早已成为一个重要的任务[1]。
煤矿安全是安全生产工作的重中之重，瓦斯防治又是煤矿安全生产的重中之
重，瓦斯事故长期以来一直是制约煤矿安全生产的“瓶颈”，堪称煤矿安全生产
“第一杀手”。瓦斯事故类型分为两类[2]：第一类是瓦斯窒息事故，在低瓦斯矿井
中，如果通风系统合理、设施齐备完好，风量满足需求的话，不会发生瓦斯事故，
但如果发生无计划停风或风量不足，采取措施不当时，容易发生人员瓦斯窒息事
故。第二类是瓦斯爆炸事故，风流中瓦斯浓度达到爆炸极限，且具有火源和供氧
条件，将发生瓦斯爆炸事故，对人员、财产造成巨大威胁，爆炸产生的高温、高
压和大量的一氧化碳、二氧化碳等有毒有害气体，会造成人员大量伤亡，产生的
冲击波对巷道、支架、设备造成严重破坏，造成生产接续紧张。当有煤尘积聚时，
有可能引起煤尘爆炸，会进一步扩大灾害范围，危及整个矿井。通常有以下几种
情况[3]：第一，在掘进工作面通风距离较长的巷道，由于风筒接头多相应漏风增大，
通风阻力大造成迎头风量不足，不能有效稀释瓦斯浓度，使瓦斯浓度达到爆炸范
围以内，如再出现放炮火焰、电器设备失爆等高温热源的存在，会造成瓦斯爆炸
事故；第二，在排放瓦斯时，由于通风设施不完善，措施落实不到位，造成风流
短路影响工作面正常供风造成瓦斯积聚以及回风流中电器设备没有断电以及有高
温火源的存在，排放出瓦斯气体遇到引爆火源后发生爆炸事故；第三，在地质构
造复杂地带会出现瓦斯涌出异常，如果不及时合理排放瓦斯，容易造成瓦斯高浓
度积聚，发生瓦斯爆炸。
综上可知，瓦斯事故直接影响到煤矿的安全生产，所以要设计合理有效的通
风系统从而实现瓦斯的自动安全排放是目前该领域的重要研究课题。
掘进工作面智能通风系统的设计
2
§1.2 本课题研究的实际意义
近年来我国的瓦斯事故调查分析指出，瓦斯爆炸的根本性原因在于矿井的通
风问题，通风设施欠佳、通风系统不完善及通风不合理导致的风量不足等，都会
引起瓦斯积聚而发生爆炸[4]。因此，要从根本上杜绝瓦斯事故，就必须有安全完善
的通风系统。
矿井通风分为主通风和局部通风，本文研究的是局部通风。局部通风是指煤
矿井下掘进巷道的通风，其目的是不断的冲淡和排出在掘进过程中产生的有害气
体和爆破产生的煤尘和炮灰，并及时给巷道提供新鲜空气，保证井下风流的质量
和数量符合国家安全标准，为矿井下的安全生产提供良好的保障。据不完全统计，
矿井瓦斯爆炸事故中 70%发生在掘进工作面，因此负责掘进工作面通风的局部通
风机是矿井通风系统的电控设备中最关键的组成部分，它的灵活性和可靠性将直
接影响到掘进工作面的安全生产[5]。
随着我国重工化的日益加剧，煤炭的需求量不断增加，对煤矿的自动化水平、
矿用电器的可靠性和灵活性要求也越来越高。根据目前的情况，在现有的矿用通
风系统的基础上做进一步的技术改进，研究一种既能保障局部通风机灵活性和可
靠性又能根据瓦斯浓度变化实时进行风量调节的智能的通风系统具有极其重要的
现实意义。
§1.3 掘进工作面通风系统的发展历程及未来趋势
§1.3.1 发展历程
煤矿安全生产的重要基础就是矿井通风技术，这也是国内外专家学者研究的
重要课题之一。
矿井通风的研究历史悠久，在风机的控制方面，各个国家的研究水平发展不
平衡。早在 1902 年，爱尔兰成功研制世界上第一台多叶片矿井通风机，为通风技
术做出了重要的贡献；60 年代至 70 年代初，随着大型化、深度化的矿井开采，对
矿井通风技术提出了更高的要求；在 80 年代初期，采煤技术较先进的英国率先将
计算机控制技术应用于矿井通风系统中，大大提高了局部通风机的可靠性和连续
性，推动了煤矿的自动化、高效化和安全化的发展；波兰煤矿对矿井实现集检测、
计算、控制于一体的自动化通风系统，实时的监测矿井中的瓦斯浓度以及风机运
行状况，俄罗斯、德国等一些欧美国家对掘进工作面通风的参数优化做了研究，
很大程度的降低了瓦斯事故的发生。90 年代初期，德国、英国、日本等国家已经
将变频器应用于局部通风系统，提高电网和风机的使用效率，在节能减耗的前提
第一章 绪论
3
下实现瓦斯的安全无超限排放。
我国在掘进工作面的通风技术方面也紧跟世界潮流。主要经历了以下几个阶
段：
1）建国之初，我国煤炭生产的整体技术处于低端水平，通风技术和安全状况
十分不完善，建国之后，确立了“安全第一”的方针，在国有重点煤矿实现了机
械化通风和矿井下分区独立通风。
2）在六七十年代，我国煤矿井下采用单回路供电模式，当负荷侧出现故障时，
整个供电系统必然全部中断，造成全系统停电停风，或者供电系统发生过载、短
路等电气故障时，都会造成停电停产，可靠性极差。进入八十年代，《煤矿安全规
程》规定：在瓦斯突出的矿井中，掘进工作面必须实行“三专”供电（“三专”是
指在矿井下对局部通风机采用专用变压器、专用开关、专用线路供电，以确保供
电相对稳定，遵循停头不停风的原则）。按照这个法规，我国开始综合治理掘进工
作面因电气故障停电停风的现象，使掘进面的供电可靠性得以显著提高，但仍属
于单回路供电模式。
3）进入 21 世纪以来，《煤矿安全规程》规定[6]：矿井需有两回路电源线路。
当任一回路发生故障时，另一回路应能担负矿井全部负荷，在发生故障且保护动
作正常时，至少要有一个电源不中断供电，两个电源线路上不能分接任何负荷；
电源采用分列运行方式，一回路运行的同时另一回路必须带电备用，以保证供电
连续性。在“三专”基础上提出 “三专两闭锁”（“两闭锁”指掘进工作面瓦斯电
闭锁和风电闭锁；瓦斯电闭锁是指当掘进工作面瓦斯浓度超限时，声光报警并自
动切断工作面被控设备电源；风电闭锁是当局部主通风机停运或风筒风量低于规
定值时，自动切断工作面内除备用风机外的所有设备电源）。我国开发并应用
JDQB-IJ 型局部通风机双电源自动切换闭锁装置实现了“三专两闭锁”，并在煤矿
推广安装，从根本上杜绝停电停风事故的发生。
从我国的发展历程可看出，在局部通风系统的供电控制方面有了很大的进步，
提高了掘进通风的可靠性和连续性。但瓦斯的合理排放方面有许多欠缺，大多采
用人工排放，没有实现自动化。人工排瓦斯通常使用以下几种方法：
1）增阻限风量法。顾名思义，这种方法主要是增加通风的阻力，达到限制风
量的目的，来控制瓦斯的排放。比如用绳子扎风筒，就是风机启动前，先把风筒
扎起来，留一个小孔，然后启动风机，此时根据瓦斯浓度的大小调整风筒扎孔的
大小，待瓦斯排放完毕再把风筒全部打开；或者用挡板阻挡风机的入风口，根据
瓦斯的浓度调整挡板开度，等瓦斯排放完毕再把挡板移开。
2）分风限风量法。这种方法实质是分风流，一部分风流经过风筒进入巷道来
掘进工作面智能通风系统的设计
4
排放瓦斯，另一部风流来稀释排放出来的瓦斯。可以在风机面前设个三叉风筒，
一个叉口向掘进面供风，此时另一个扎严实，遇到排放瓦斯是再把三叉打开，启
动风机，根据瓦斯浓度大小，控制三叉处风量；也可以将风筒从风机出风口断开，
根据瓦斯浓度，调整对口位置控制风量，直到瓦斯浓度恢复允许范围再接上风筒。
3）分段排放法。在巷道内断开风筒，将积存的瓦斯由外向里分段逐步排放出
来。
以上三种方法都有一个大的缺点，人工排放瓦斯依赖于工人的经验，风量控
制不能精确，风量小会影响排放速度，风量大则会增加瓦斯排放量，使得瓦斯积
聚在全风压混合处，发生瓦斯事故。
§1.3.2 未来发展趋势
从以往掘进面瓦斯通风系统来看主要存在几个问题：1）局部通风机的供电系
统可靠性、灵活性较差，易造成停电停风现象；2）通风系统不够完善，瓦斯排放
不够合理；3）风机运转效率低，不足 50%，浪费了大量的能耗。
随着通风技术的进一步发展，未来的发展趋势一方面是在“三专两闭锁”基
础上，实现双电源供电、双风机自动转换，进一步提高局部通风机供电的可靠性
和灵活性；另一方面采用人工智能控制，结合变频调速技术，构成新型变频通风
系统，根据瓦斯浓度的变化，自动实时的调整风机风量，实现瓦斯浓度无超限安
全排放；既在低瓦斯浓度时达到了节能效果，又在高瓦斯浓度时保证了通风安全。
§1.4 课题的主要研究内容
本文研究的内容是“掘进工作面智能通风系统的设计”，主要是设计一种既能
保障风机供电可靠性又能根据瓦斯浓度变化实时进行风量调节的智能化变频调速
集成控制系统。该系统以 PLC 为控制核心，采用模糊控制和层次分析法相结合的
思想，运用变频调速技术，实现瓦斯的安全无超限排放，达到风机安全、节能运
行的目的。
本文的主要研究内容是：
1）在分析掘进工作面控制要求的基础上，选择 PLC 为系统的主要控制单元，
应用功率匹配的英威腾变频器，制定了整体控制方案，并确立各项技术指标。
2）本文采用模糊控制和层次分析法相结合的思想，针对煤矿井下瓦斯浓度和
风机转速之间难以确定精确数学模型的问题，采用双模糊控制系统，在瓦斯浓度
与电机频率之间建立了一种对应的模糊关系；考虑多瓦斯和煤尘传感器对输出频
率影响程度的不同，应用层次分析法确定四个输入因素的权重，然后通过加权平
均得到输出频率。结果表明：该控制系统可根据瓦斯和煤尘浓度实现局部通风机
摘要：
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摘要随着我国重工化日益加剧，煤炭需求量不断增加，煤矿安全是确保生产工作正常进行的保障。长期以来瓦斯事故一直是制约煤矿安全生产的“瓶颈”，瓦斯事故调查分析指出，瓦斯爆炸的根本性原因在于矿井的通风问题，通风设施欠佳、通风系统不完善及通风不合理等，都会引起瓦斯积聚而发生爆炸。因此，要从根本上杜绝瓦斯事故，就必须设计安全完善的通风系统。本课题研究矿井掘进工作面局部通风智能控制系统，局部通风机是通风系统电控设备中最关键的组成部分，它的灵活性和可靠性将直接影响掘进工作面的安全生产。本文设计了一种既能保障风机供电可靠性又能根据瓦斯浓度变化实时进行风量调节的智能化变频调速集成控制系统，集信号检测、故障保护、变...
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