秦錦東

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司晉華宮礦安監(jiān)站， 山西 大同 037000）

煤炭是我國國民生產(chǎn)中消耗占比最多的資源，是改革開放以來經(jīng)濟迅速穩(wěn)步增長的關(guān)鍵保障[1]。由于開采環(huán)境的特點，煤巖中儲存有大量的瓦斯等有毒有害氣體，在煤炭的生產(chǎn)過程中，如果瓦斯等有害氣體排放不及時，極有可能導(dǎo)致工作人員的缺氧，甚至瓦斯爆炸等事故[2-3]。礦井通風(fēng)機也被稱為“礦井肺腑”，是煤礦的四個主要設(shè)備之一，負責(zé)向井下輸送新鮮空氣，排放有害氣體與抑制粉塵等作用[4]。礦井通風(fēng)機一旦發(fā)生故障或者停運，將會導(dǎo)致井下瓦斯積聚，對整個井下工作面的安全造成威脅，生產(chǎn)過程將不得不停滯，嚴重制約煤礦的生產(chǎn)效率[5-6]。目前國內(nèi)礦井通風(fēng)機的監(jiān)控系統(tǒng)存在過于簡單，節(jié)能效果差，數(shù)據(jù)監(jiān)測不到位等缺點，所以建立一種功能完善，可靠性高的井下通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)十分重要。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成及原理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案

礦井通風(fēng)系統(tǒng)由兩部分組成：通風(fēng)機與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。通風(fēng)機按照結(jié)構(gòu)特征可以分為離心式通風(fēng)機與軸流式通風(fēng)機兩種。離心式通風(fēng)機由動輪、電機、主軸、錐形擴散器與殼體組成，工作時，依靠動輪轉(zhuǎn)動的離心作用產(chǎn)生吸力，將空氣吸入進氣口，經(jīng)由葉輪折轉(zhuǎn)90°后流入機殼，最終由擴散器排出，其中，前導(dǎo)器可用來調(diào)節(jié)風(fēng)流進入葉輪前的流向，進而改變風(fēng)機輸出的風(fēng)量與風(fēng)壓。軸流式通風(fēng)機由動輪、集風(fēng)器、整流器與環(huán)形擴散器等組成，工作時動輪的葉片快速轉(zhuǎn)動，凹面產(chǎn)生沖擊作用，產(chǎn)生正壓，將空氣排出，凸面產(chǎn)生負壓，將空氣引入機體，從而形成空氣的穩(wěn)定流動。礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)一般為風(fēng)流分流、回合的巷道結(jié)構(gòu)，通過改變巷道的布置，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的連接方式也會發(fā)生相應(yīng)的變化[7-8]。

本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，采用了雙通風(fēng)機冗余系統(tǒng)的設(shè)計思想，在工作風(fēng)機發(fā)生故障的情況下，主站通過切換風(fēng)機的方式，利用另一臺正常的風(fēng)機為井下持續(xù)通風(fēng)。遠程監(jiān)控機與現(xiàn)場主站通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，1 號風(fēng)機及控制柜與二號風(fēng)機及控制柜通過現(xiàn)場總線RS485 的方式實現(xiàn)信息傳輸。現(xiàn)場主站通過監(jiān)視器對風(fēng)機的運行狀態(tài)進行檢測，并可通過調(diào)試程序切換風(fēng)機的運行狀態(tài)。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)的控制原理

通風(fēng)機的控制系統(tǒng)包括上位機、PLC 控制器、變頻器與電氣控制等，系統(tǒng)的控制原理圖如下頁圖2所示?？刂葡到y(tǒng)采用負反饋閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，硬件部分包括PLC 控制器、變頻器、風(fēng)機及各種信號傳感器。當通風(fēng)系統(tǒng)正常工作時，PLC 控制器通過變頻器驅(qū)動通風(fēng)機，風(fēng)流持續(xù)流入巷道，系統(tǒng)通過傳感器監(jiān)測風(fēng)流的壓力信號與速度信號等，經(jīng)過系統(tǒng)計算處理后，上位機通過PID 控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的電信號，控制變頻器的頻率信號，從而對風(fēng)機的啟動、停止與轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，形成系統(tǒng)的閉環(huán)負反饋控制。

圖2 系統(tǒng)控制原理圖

變頻調(diào)速是目前公認的最適合于交流電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的方式，在應(yīng)用于風(fēng)機類的工程上時，還具有非常良好的節(jié)能性。風(fēng)機等泵類通常采用改變出口處開口量的方式進行調(diào)速。這種方式的效率很低，造成了不必要的電能損耗，尤其在煤礦工程中，風(fēng)機處于24 h 作業(yè)，低效的調(diào)速方式會帶來巨大的電能損耗。由流體力學(xué)的基本原理可知，交流異步電機的轉(zhuǎn)速與風(fēng)機設(shè)備的軸功率、流量與壓力之間有如下關(guān)系：

式中：Q為風(fēng)機流量；n為風(fēng)機轉(zhuǎn)速；H為風(fēng)機的風(fēng)壓；P為風(fēng)機的軸功率。

風(fēng)機流量與風(fēng)機轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)機的風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，風(fēng)機的軸功率與風(fēng)機轉(zhuǎn)速的立方成正比。由以上關(guān)系可知，通風(fēng)系統(tǒng)在滿足井下通風(fēng)要求的前提下，降低風(fēng)機的轉(zhuǎn)速將大幅的降低風(fēng)機的負載，較少風(fēng)機的功率損耗。所以系統(tǒng)在采用變頻調(diào)速的方式下，可通過降低系統(tǒng)平均風(fēng)速的方式，減少電能的消耗，起到節(jié)能作用。

2 控制柜的硬件選型設(shè)計

2.1 控制器選型設(shè)計

控制柜主電路中包括PLC 控制器與變頻器兩種主要設(shè)備，在對PLC 控制器選型時，通過對系統(tǒng)I/O 接口、計算功能與存儲容量進行估算后，決定選用西門子的S7-300。S7-300 主要有數(shù)據(jù)處理速度快，人機界面友好，自帶保護功能和診斷功能等優(yōu)點，一條指令的處理速度在0.5 μs 左右，滿足中等系統(tǒng)的性能要求，采用梯形圖進行編程，簡單直觀，具有智能的信號處理模塊，抗干擾能力強。

根據(jù)系統(tǒng)的工作要求，選用西門子公司的MM430 變頻器。MM430 變頻器特別適用于工業(yè)泵或者風(fēng)機的控制系統(tǒng)，具有以用戶為導(dǎo)向的優(yōu)點，操作面板與通訊面板更加人性化，相對于之前版本具有更多的輸入和輸出接口，具有快速響應(yīng)輸入和更加廣泛的功能。

系統(tǒng)控制柜的主電路如圖3 所示，由兩個變頻器分別對1、2 號風(fēng)機進行控制，圖中M1 與M2 分別對應(yīng)兩個風(fēng)機，F(xiàn)A 為電路的熔斷器，S2 與S4 分別控制兩個電機變頻運行，S3 與S5 分別控制兩風(fēng)機工頻運行。

圖3 控制柜主線路圖

2.2 風(fēng)機信號監(jiān)測

由于井下環(huán)境較差，在對風(fēng)速測量時難以準確定位，測試精度差，所以本系統(tǒng)采用皮托靜壓管橫動法對風(fēng)機的風(fēng)速信號進行監(jiān)測，通過計算被測截面的平均壓差與靜壓，計算得到通過截面的平均風(fēng)速：

式中：ρ 為所測截面的氣體密度，Δp為平均壓差。

風(fēng)道中的風(fēng)壓采用鉆孔取壓的方式，將所測得的靜壓與動壓等信號通過壓力變送器轉(zhuǎn)換為電信號，所測地點的風(fēng)壓即靜壓與動壓的代數(shù)和，本系統(tǒng)選用的壓力變送器為JYB-DW-A 型微差壓變送器。

風(fēng)機在運行過程中可能會出現(xiàn)溫度超限的情況，導(dǎo)致電機定子與轉(zhuǎn)子燒壞，破壞系統(tǒng)功能，所以對風(fēng)機溫度信號進行監(jiān)測是十分必要的，本系統(tǒng)采用PT100 型溫度信號傳感器，利用鉑熱電阻的物理性質(zhì)，隨著溫度的改變，鉑熱電阻的阻值也將發(fā)生相應(yīng)的變化。系統(tǒng)通過溫度與阻值之間的換算關(guān)系，可得到電機溫度值。

3 系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4 所示，系統(tǒng)首先初始化，在第一個掃面周期結(jié)束后開始讀寫數(shù)據(jù)，調(diào)用1 號主風(fēng)機與2 號備用風(fēng)機的控制程序，對系統(tǒng)風(fēng)機與風(fēng)門進行控制，運行數(shù)據(jù)監(jiān)測子程序?qū)︼L(fēng)機的運行數(shù)據(jù)采集，當風(fēng)機故障時，調(diào)用故障報警子程序，系統(tǒng)停機，主程序結(jié)束見75 頁圖4。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種井下通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)，采用PLC 控制、變頻調(diào)速原理，系統(tǒng)具有一定的抗干擾性，提高了風(fēng)機系統(tǒng)的可靠性，并且在保障井下通風(fēng)要求的前提下降低了煤礦的電能損耗，帶來了較好的經(jīng)濟效益。

圖4 主程序流程圖