安徽理工大学安徽232001
摘要：瓦斯是一种由多种气体共同构成的气体，为了保证煤矿生产安全和矿工的生命安全，避免出现严重的煤矿瓦斯事故，本文提出了一种基于智能控制的瓦斯抽采控制系统，目的是为实现瓦斯安全高效抽采泵站的无人化管理、实现矿井瓦斯安全高效抽采的无人化智能调控及煤矿井下抽采管路阻爆抑爆等安全设施智能管理，满足安全高效抽采与高效利用的需求，提高瓦斯安全高效抽采与利用效率。
关键词：煤矿；瓦斯；抽采系统
1.煤矿瓦斯抽采技术的研究现状
我国煤矿瓦斯抽采技术借鉴先进国家的技术得到了长足的发展，到现在已经有六十年发展历史。目前，全国煤矿瓦斯抽采以井下钻孔抽采法为主，通过管道输送到地面上来。煤炭科学研究总院沈阳研究院研究的带有自动阻爆装置的新型瓦斯抽放系统，其中包括抑爆装置、火焰传感器、阻爆主机、抑爆装置主机、电动阻爆阀等，实现了瓦斯输送管道阻爆分级控制，但不能实现瓦斯输送管道流量调节等功能。
2.智能瓦斯抽采系统的结构和运行原理
煤矿抽采瓦斯系统一般由煤矿安全监控系统、瓦斯抽采泵、抽采管路、供电系统、水循环系统、抽采参数测量装置组成，而智能瓦斯抽采系统在此基础上在煤矿瓦斯抽采主管路、分支管路上分别布置变频抽采泵、自动喷粉抑爆装置、双向阻火器、大水量气水分离器、负压全自动放水器、带反馈的调节阀门等设备及紫外火焰、红外火焰、温度突变火焰、压力突变火焰传感器、甲烷浓度、一氧化碳浓度、温度、流量等多参数传感器，从而达到无人化智能调控。
2.1智能瓦斯抽采控制系统设计
智能抽采控制系统框架设计主要分为4个层次，由低层到高层分别是动作执行层、信号转化层、设备交互层和智能控制层，主要功能模块如图1。
图1智能抽采控制系统设计
（1）动作执行层
动作执行层是在抽采系统布置必需的电气设备（如抽采泵、阀门、放水器与防爆装置等）和传感器（如流量、压力、温度、阀门开度等）。
（2）信号转换层
信号转换层是由电气设备驱动模块与传感器信号转换模块组成。在智能抽采系统中，所有的电气设备与传感器都必须接入控制芯片终端，这些控制芯片可以为单片机、PLC等。通常控制抽采系统中的电气设备（泵与阀门）一般是由420mA或05V信号电源实现，而技术人员下达的控制指令一般为物理量而非信号电源，这就需要信号转换层的电气设备驱动模块将抽采泵控制信号即入口流量（m3/min）和入口负压（KPa）和将阀门的控制信号即开度（°）转换为设备可识别的420mA或05V信号电源。反之，当需要识别传感器监测的电信号时，可利用传感器信号转换模块将420mA或05V信号电源（模拟量或数字量）转换为相应的物理量，如流量（m3/min）、瓦斯浓度（%）等。
（3）设备交互层
设备交互层一般是指监测与控制电气设备与传感器的上位机。在设备交互层上可以编制程序实现程序化的监测控制，还能与网络进行通信以实现更复杂的远程网络监测控制，还可以对电气设备的维修与调试，兼容其他生产管理系统。
（4）智能控制层
物理模型仿真利用实时监测的参数进行实时的抽采系统物理模拟，并根据使用目的（如最高抽采效率）计算出最优化的调节方案。通常情况下，由于物理模型不能完全接近现实情况，所以，仿真得出的最优化调节方案在实际情况中不能达到最优。因此，在这一层一些智能算法，如人工神经网络、模糊识别、模糊决策等被用于解决所提到的问题，尽可能使调节方案在实际情况下达到最优。针对井下抽采系统大惯量、非线性和强耦合等特点，在智能控制层设计模糊控制器，该控制器主要作用有对耦合系统进行解耦，减少抽采系统的能耗，关闭不合格钻孔以实现抽采系统的高效运转，通过结合常规PID和模糊控制的优势，进而对抽放泵排量进行调节，以实现煤矿井下智能抽采，并利用大量试验数据反复对算法的相关参数进行调优。
2.2智能瓦斯抽采控制系统运行原理智能抽采控制系统的运行原理如图2所示。图中左侧包括了智能抽采控制系统中所有的电气设备与参数传感器。所有电气设备与传感器的监测参数与状态都会被传输至如图3所示的下位机，即设备驱动/信号转换模块。泵与阀门还接收该模块发出的控制信号。图中，这些电气设备与传感器对应图1的设备层，设备驱动/信号转换模块则对应图1的信号转换层。设备驱动/信号转换模块与数据通信模块直接通信，将总的信息传递给上位机。在上位机安装了智能抽采系统仿真程序集，而仿真程序集根据不同的目的又包含了不同种类的仿真优化模型。例如，为提高抽采效率而提供的瓦斯抽采效率优化模型，为改善矿井与抽采系统安全性而提供的瓦斯抽采安全性模型。在智能抽采系统服务端，根据不同的调控目的（改善安全性、提高抽采效率），监控数据被实时输入到抽采安全性模型、抽采效率优化模型中。而后，将模拟结果（最优化调控策略）输入到智能算法中，智能算法主要对仿真结果与实际结果差异进行协调，最终输出智能控制方案并通过数据通信模块输出至底层设备中。
3.结束语
该智能控制系统可以对不同类型的工作面、采区进行抽采流量与抽采效率最佳匹配，使得瓦斯抽采量最大化，抽采阻力最小化，并随着抽采进度不断地进行调节，能够使抽出的瓦斯浓度最高、抽采量最大；同时也利于瓦斯的发电等民用；减少环境污染和温室效应，保护了人类赖以生存的环境；由于高效的抽出瓦斯，能够大大缩短煤层瓦斯抽采的时间，从而更早的进行开采，降低了生产成本。在本产品的设计中，通过实时监测管道中存在的微小火源，上位机能够根据控制策略自动的控制抑爆装置动作，将爆炸危害消灭在初始状态，进而有效地减少煤矿井下瓦斯输送过程中安全事故的发生，保障煤矿职工的生命安全以及煤矿企业的财产安全，并且能对抽采的流量进行智能分配，提高瓦斯的输送效率，从而有效地节约能源；此系统还可以应用在天然气开采等气体开采或运输系统中。因此，该智能调控控制系统的应用前景十分广阔，并能带来可观的经济效益。
参考文献：
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