本发明属于煤矿通风系统智能监控领域，尤其涉及一种煤矿通风参数智能化监测调控装置及其控制方法。
背景技术：
矿井通风系统是煤矿生产基本系统之一，负有向井下工作地点送入充足的新鲜空气，稀释与排出井下有毒有害气体、粉尘和热湿等任务，它由通风方式所决定的井巷通风网络、驱动风流的主要通风机以及控制风流的通风构筑物所组成。设置合理的矿井通风系统风流基础参数是保障矿井安全生产、改善井下人员劳动安全健康条件和防灾抗灾的最重要环节。为了保证通风系统能够安全、稳定、经济地运行，技术管理人员需要及时获得巷道风量、巷道通风阻力分布、主要通风机运行工况等通风基础参数，为矿井通风系统管理和决策提供依据。然而，矿井通风系统参数随着矿井采掘工程接替实时动态变化，采用人工测量通风参数的工作量十分巨大，并且很难实时准确地获得矿井通风系统通风参数的实际值，使得通风管理人员很难及时察觉系统的安全隐患，影响应对措施的制定，从而增大隐患转向事故的机率。采用人工测定法的测量成本和实施难度较大，且无法实现通风网络风流参数实时动态测定的要求，随着矿井安全监控系统的发展，很容易通过监测系统获得巷道的实时风量。可通过风速传感器监测得到巷道的风速，进而得到对应巷道的风量。
根据国家煤矿安全监察局历年事故数据统计情况来看，煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故中，绝大多数是瓦斯爆炸，并且煤矿瓦斯爆炸事故造成的重大伤亡事故占到整个煤炭行业重大伤亡事故的70%以上。针对这种情况，近年来我国政府加大了瓦斯治理力度，有效的控制了瓦斯事故的发生，但瓦斯治理面临的问题依然严峻，加强瓦斯浓度的实时监测监控十分重要。瓦斯异常涌出是诱发瓦斯事故的最主要因素，瓦斯异常涌出往往会导致瓦斯涌出量的显著增加，造成瓦斯浓度高于安全规定值，影响生产正常进行易造成事故。如果不及时处理超限的瓦斯，在一定的条件下可能会造成瓦斯爆炸、瓦斯燃烧等灾害。解决矿井通风巷道瓦斯浓度超限的问题，通常最主要的方法就是增加风量稀释瓦斯。随着自动化技术和变频技术的发展，在传统技术的基础上，可以建立智能化风量调节和管理系统，将监测系统与计算机技术、plc控制技术、变频技术等有机的结合到一起，通过监测到的相关通风参数和瓦斯浓度等信息反馈给调控中枢，及时发现产生异常情况的原因，适时进行有效的调节，以达到最短的时间内稀释瓦斯至安全范围的目的。同时实时动态监测一氧化碳的浓度，以提高矿井的安全性和可靠性。
通风网络风量的自动控制对矿井正常生产与抢险救灾具有十分重要的意义，且具有重要的应用价值。我国目前大多数矿井的通风控制还是通过人工进行操作，虽然有些矿井已安装了可远距离控制的遥控风门，但主要目的是在发生灾变时能够迅速实现局部反风。随着变频技术的高速发展，将变频技术应用到风机转速的调节优势明显，通过调节风机的转速即可调节风机的风量等工况参数。变频器对风机的控制具有节能和快速改变风机工况的优点，因此变频风机的推广势在必行。井下风量的控制主要依据矿井主要通风机工况点的调节，其原理是将变频器的控制系统和瓦斯监测系统相结合，当井下瓦斯浓度逐渐增大时，视绝对瓦斯涌出量的大小调整井下的供风量。监控系统可以实时控制变频器，通过变频器进行风量调节。对由变频器控制的通风机进行调速后，风机的风量增大，可以冲淡瓦斯，防止发生瓦斯事故。将变频器与控制系统连接，建立相应的监控系统，变频器视瓦斯浓度大小，实时调节变频器频率，进而改变通风机频率，改变风机风量。同时，在某一风网分支发生瓦斯超限时，也可以通过调节关联分支风阻以增加异常分支的风量，从而稀释异常分支的瓦斯，
生产接替过程中通风系统结构变化具有一定的计划性，但是有毒有害气体涌出等灾害性事故具有随机性和突发性，二者会导致分支风量大小甚至风流方向发生改变。针对不同条件下的分支需风量变化，分析主要通风机变频和分支风阻调节方法，建立需风量调节理论模型，研究调节过程中通风系统稳定性检验方法和超前模拟判断技术，保障需风量调节过程中通风系统的稳定性。为避免我国煤矿重特大事故的发生，扭转我国煤矿事故频发的局面，同时适应煤炭市场经济发展的需求，高产高效集约化矿井建设是中国煤炭发展的必然趋势，集约化矿井通风系统异常的智能化调控理论与技术成为提高通风系统防灾抗灾能力研究的重点方向。传统的变频器调节是阶段性调节，且并未建立智能化风量调节和管理系统；传统的关联分支风阻调节多数选用人工调节或者机械自动化调节，并未形成全风网系统的智能化统筹调节。
技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种方法简便，灵敏度高，使用效果好的煤矿通风参数智能化监测调控装置及其控制方，将煤矿监测监控系统与计算机技术、plc控制技术、风机变频调控技术、调节分支的优化选择算法、智能化软件开发等多个领域知识有机结合到一起，实现了既可实时监测煤矿井下的通风参数、通风设施状态、地面风机运行参数，也可根据参数数值的变化判断出通风异常并计算出异常分支的需风量，通过智能化调节风机运行频率或者关联分支风阻、或者两种方法联合调节达到异常分支需风量的要求。煤矿风网参数智能调控装置实时监测监控通风参数及环境参数并实现整个通风系统的智能化调控，可以有效防治各类通风异常导致的灾害事故。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种煤矿通风参数智能化监测调控装置，包含地面监控中心、工业以太网通信系统、地面风机变频监控系统和井下风网监控系统；
其中，井下风网监控系统，用于实时监测井下通风网络分支的环境参数和通风参数，对通风设施的状态进行监测与调控；
地面风机变频监控系统，用于实时监测地面风机的运行工况参数，完成对风机运行频率的调控；
工业以太网通信系统，用于将获取的井下通风网络分支的环境参数、井下通风网络分支的通风参数、风机的运行工况参数、通风设施的状态参数以及地面监控中心的控制指令进行传输；
地面监控中心，用于实时监控整个煤矿通风网络的运行参数，通风异常时，获取排除通风异常的调节方案。
作为本发明一种煤矿通风参数智能化监测调控装置的进一步优选方案，所述井下风网监控系统包括井下监控分站、通风参数监测模块、环境参数采集模块和通风设施控制模块；
井下监控分站，用于实时监测井下通风网络分支的环境参数和通风参数，对通风设施进行监控与调节；
通风参数监测模块，用于实时监测井下通风网络分支的通风参数，所述通风参数包括风速、风压、干湿空气温度；
环境参数采集模块，用于实时监测井下通风网络分支的环境参数，所述环境参数包含ch4浓度、co浓度、o2浓度、co2浓度和温度；
通风设施控制模块，用于井下通风网络分支中通风设施的状态调节与控制。
作为本发明一种煤矿通风参数智能化监测调控装置的进一步优选方案，所述地面风机变频监控系统包含风机运行工况监测传感器、监控分站和变频控制组件，
风机运行工况监测传感器，用于实时采集风机的运行工况参数；所述运行工况参数包括：风量、温度、大气压、负压、全压、差压、转速、轴温传感器，电流、电压、功率、效率；
监控分站，用于实时监测风机的运行工况参数；
变频控制组件，用于调控风机的运行频率。
作为本发明一种煤矿通风参数智能化监测调控装置的进一步优选方案，所述地面监控中心包含plc控制器、以太网通信模块、通风参数显示终端和服务器；
其中，通风参数显示终端，用于实时显示煤矿风网网络的运行参数；
plc控制器，用于对接收的整个煤矿风网网络的运行参数进行预处理；
以太网通信模块，用于地面监控中心与工业以太网通信系统的数据传输；
服务器，用于安装应用软件和功能软件，为用户提供服务。
一种基于一种煤矿通风参数智能化监测调控装置的调控方法，具体包含如下步骤；
步骤1，通过井下风网监控系统实时监测井下通风网络分支的环境参数和通风参数，地面风机监控系统检测风机的运行工况参数，并通过工业以太网通信系统传输给地面监控中心；
步骤2，当井下风网监控系统监测井下通风网络分支的环境参数和通风参数异常时，则将异常分支的环境参数、通风参数传输至地面监控中心，并发出报警；
步骤3，地面监控中心根据井下异常分支的环境参数和通风参数，通过分析确定最小余数分支，计算出通风系统排除异常的调控方案；
通风系统排除异常的调控方案具体如下：
步骤3.1，若选择对井下通风网络分支进行调节：服务器则根据通风网络结构特征建立元胞自动机模型，根据异常分支在井下通风网络中的逻辑关系，计算出最佳的调节分支，并确定分支的可调度，经过服务器对调节方案进行超前模拟和安全性检验后，服务器将调节命令发送给井下监控分站；井下监控分站执行关键通风设施的调节，同时，服务器实时监测通风网络关联分支调节的过程并实时在通风参数显示终端显示各种通风参数，直至通风异常排除；
步骤3.2，若选择对地面风机运行频率进行调节时：地面监控中心的服务器根据通风异常情况预测需风量后，具体采用随动调风法和曲线查找法完成调频；
其中，随动调风法根据q-f函数关系得到风机运行频率，实时调节风机频率，实现井下分支需风量与风机调频的耦合；
曲线查找法通过网络解算获取满足需风量的风机特性曲线，并在风机特性曲线库中快速查找，从而得到风机的调节频率；
经过服务器对调节方案进行超前模拟和安全性检验后，服务器将调节命令发送给风机监控分站；风机监控分站执行风机运行频率的调节，同时，服务器实时监测通风网络关联分支调节的过程并实时在终端显示各种通风参数，直至通风异常排除；
步骤3.3，若选用对井下通风网络分支和对地面风机运行频率的联合调节；经过服务器对频率调节方案进行超前模拟和安全性检验后，服务器将调节命令发送给风机监控分站；先将地面风机运行频率增至50hz，若无法达到需风量的要求，再结合对井下通风网络分支进行调节；经过服务器对分支风阻调节方案进行超前模拟和安全性检验后，服务器将调节命令发送给风网监控分站；通过地面监控中心进行通风参数的检测与判断，直至通风异常排除。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明克服已有技术中的不足之处，将煤矿监测监控系统与计算机技术、plc控制技术、风机变频调控技术、调节分支的优化选择算法、智能化软件开发等多个领域知识有机结合到一起，实现通风异常时期的风网智能化调节与控制；实现了既可实时监测煤矿井下的通风参数、通风设施状态、地面风机运行参数，也可根据参数数值的变化判断出通风异常并计算出异常分支的需风量，通过智能化调节风机运行频率或者关联分支风阻、或者两种方法联合调节达到异常分支需风量的要求；地面监控中心会根据井下异常分支的环境参数和通风参数，通过分析确定最小余数分支，智能地计算出通风系统排除异常的调控方案。同时，服务器运用数据库中预置的通风模型和监测的通风参数高速地进行通风网络的迭代解算与风网分支通风的安全性检验，实现调节方案的超前模拟，仿真验证拟定的调节方案，保障调节过程的安全，排除通风异常。煤矿风网参数智能调控装置实时监测监控通风参数及环境参数并实现整个通风系统的智能化调控，可以有效防治各类通风异常导致的灾害事故；
2、针对煤矿井下风网分支通风异常的问题，提出采用关联风网分支风阻调节、主风机变频调节、联合调节来排除通风异常的方法，并建立了智能化调节的相关模型和计算软件，提供了一种方法简便，灵敏度高，使用效果好的煤矿通风参数监测与智能化调控的装置及方法，用于监测相关煤矿通风参数和环境参数等信息，并反馈给地面监控中心；当监测到通风系统异常时，及时发现产生异常情况的原因，通过服务器上开发安装的相关软件计算出通风系统智能化调节方案，并进行超前仿真模拟检验调节过程的安全可靠性，适时实施井下智能、有效的风量调节，调节过程中实时监测通风网络风阻中各参数的变化情况。
附图说明
图1是本煤矿风网参数智能调控装置示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
根据现有技术存在的局限，我们研制出一种煤矿风网参数智能调控装置并将提出的智能化调控方法进行检验。该装置将煤矿监测监控系统与计算机技术、plc控制技术、风机变频调控技术、调节分支的优化选择算法、智能化软件开发等多个领域知识有机结合到一起。实现了既可实时监测煤矿井下的通风参数、通风设施状态、地面风机运行参数，也可根据分支通风参数数值的变化判断出通风异常并计算出异常分支的需风量，通过智能化调节风机运行频率或者关联分支风阻（通风设施调节）、或者两种方法联合调节达到异常分支需风量的要求。地面监控中心会根据井下异常分支的环境参数和通风参数，通过分析确定最小余数分支，智能地计算出通风系统排除异常的调控方案。同时，服务器运用数据库中预置的通风模型和监测的通风参数高速地进行通风网络的迭代解算与风网分支通风的安全性检验，实现调节方案的超前模拟，仿真验证拟定的调节方案，保障调节过程的安全，排除通风异常。煤矿风网参数智能调控装置实时监测监控通风参数及环境参数并实现整个通风系统的智能化调控，可以有效防治各类通风异常导致的灾害事故。
具体方案如下：
如图1所示，一种煤矿风网参数监测及智能调控系统，由地面监控中心、工业以太网通信系统、地面风机变频监控系统和井下风网监控系统组成。其中地面监控中心由plc控制器组成的中心站和服务器组成；工业以太网通信系统由以太网通信模块、光纤网络和以太网交换机组成；风机变频监控系统由风机运行工况监测传感器、监控分站和变频控制组件组成；井下风网监控系统由各类通风参数监测传感器、监控分站和通风设施执行装置组成。在系统应用中，需确定最小余数分支并对其风量进行监测，运用风网结构建立元胞自动机模型，计算出最佳关联分支风阻的调节方案；根据分支需风量迭代解算出风网总需风量，在风机特性曲线库中查找所需风机运行频率，通过风网解算超前验证预期的调节结果。
当监测到通风异常时，服务器通过分析确定最小余数分支，智能地计算出通风系统排除异常的调控方案。高速地进行通风网络解算和调节的超前模拟，仿真模拟验证调节方案，实时监测通风网络智能调节过程中的通风参数和实时评价排除异常的效果。
所述的地面监控中心由plc控制器、em243以太网通信模块和上位机服务器组成。用于实时监控整个通风系统的运行参数，当监测到通风异常时，服务器通过分析确定最小余数分支，智能地计算出通风系统排除异常的调控方案。高速地进行通风网络解算和调节的超前模拟，仿真模拟验证调节方案，实时监测通风网络智能调节过程的通风参数和排除异常的效果。
所述的井下监控系统包括井下监控分站、通风参数监测模块、环境参数采集模块和通风设施控制模块。该系统安装于关键分支上。其能与上位机进行双向通信及接受工作状态指示，可以采集甲烷、一氧化碳、二氧化碳、温度等环境参数，分支的风速（风量）、负压、干湿球温度等通风参数，并实施监测周围关联分支的通风设施状态，亦可根据指令控制井下通风设施的状态。
所述的光纤通信系统包括工业以太网通信网络、以太网通信模块与交换机。该以太网通信网络系统的传输介质为光纤，为环形组网结构。
所述的地面监控中心包括plc控制器，选择西门子plcs7-200系列，包括s7-224，s7-226，s7-231，s7-232；以太网通信模块，选择s7-243与井下千兆以太网交换机连接；通风参数显示终端，通过编制人机友好窗体将通风参在服务器终端进行实时显示；服务器，选择研华rich-300b系列工控机。
风机的运行工况参数监测模块包括各分支上的风速传感器、风压传感器、动压传感器、静压传感器、差压传感器、轴温传感器、转速传感器等，采用em231模块进行采样监测；以及电流、电压、功率、效率等电机参数主要采用eda9033模块进行采样监测；风机变频主要采用em232模块和传递函数（pid）调节模型控制和调节风机的变频器。
所述的井下环境参数采集模块包括各分支上的温度传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器、瓦斯浓度传感器。
所述的井下通风参数采集模块包括各分支上的温度传感器、风速传感器、负压传感器、干湿球温度传感器。
所述的通风设施控制组件包括安设在关键分支上的风门、风窗及其他调节设施，以及用于控制通风设施开关状态的动力装置和监测传感器。
所述的风速传感器其型号为：gfw15型，矿用本质安全型。
所述的瓦斯传感器其型号为：gj40a型，exibdⅰ矿用本质安全兼隔爆型，其能连续自动地将甲烷浓度值转换成标准电信号传送给关联设备，检测范围为0.00%—40.0%。
所述的一氧化碳传感器其型号为：gth1000型，exibi本质安全型，其测量范围为0～1000ppm，该传感器的响应时间应不大于30s，防护等级为ip54。
具体工作原理如下：
步骤1，通过井下监控分站实时监测环境参数和通风参数，并将实时监测的环境参数和通风参数通过光纤通信系统传输给地面监控中心，地面监控中心在上位机服务器终端上实时显示井下监控分站实时监测环境参数和通风参数；
步骤2，当井下监控分站监测到关联分支通风异常需要调节通风系统时，井下监控分站将井下异常分支的环境参数、通风参数传输至地面监控中心，并发出报警；同时，提出关联风网分支风阻调节、主风机变频调节、联合调节来排除通风异常的方法，并建立了智能化调节的相关模型和计算软件。
步骤3，地面监控中心会根据井下异常分支的环境参数和通风参数，通过分析确定最小余数分支，智能地计算出通风系统排除异常的调控方案。同时，服务器运用数据库中预置的通风模型和监测的通风参数高速地进行通风网络的迭代解算与风网分支通风的安全性检验，实现调节方案的超前模拟，仿真验证拟定的调节方案，保障调节过程的安全。
步骤4，如果选择井下关联风网分支进行调节，服务器则根据通风网络结构特征建立元胞自动机模型，根据异常分支在风网中的逻辑关系，计算出最佳的调节分支，并确定分支的可调度，经过服务器对调节方案进行超前模拟和安全性检验后，服务器将调节命令发送给井下监控分站；监控分站执行关键通风设施的调节，同时，服务器实时监测通风网络关联分支调节的过程并实时在终端显示各种通风参数，直至通风异常排除；
步骤5，如果选择对地面主通风机运行频率进行调节时，地面监控中心服务器根据通风异常情况预测需风量后，具体调频采用随动调风法和曲线查找法。随动调风法根据q-f函数关系得到风机运行频率，实时调节风机频率，实现井下分支需风量与风机调频的耦合。曲线查找法通过网络解算获取满足需风量的风机特性曲线，并在风机特性曲线库中快速查找，从而得到风机的调节频率。经过服务器对调节方案进行超前模拟和安全性检验后，服务器将调节命令发送给风机监控分站；监控分站执行风机运行频率的调节，同时，服务器实时监测通风网络关联分支调节的过程并实时在终端显示各种通风参数，直至通风异常排除；
步骤6，当单独采用风机或者分支调节不能找到合理的解决方案时，可以选用风机变频和分支调阻联合调节。鉴于调频过程较为简单，对系统影响小，优先考虑将频率增至50hz运行，如果还无法达到需风量的要求，再考虑结合关联分支风阻联合调节。调节过程按照步骤5、6的细节进行操作，通过地面监控中心进行通风参数的检测与判读，直至排除继续通风异常为止。