李祥榮

(山西焦煤西山煤電官地礦,太原 030053)

局部通風(fēng)管控系統(tǒng)是煤礦井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)重要組成部分,在井下各工作面單獨(dú)建設(shè),負(fù)責(zé)抽放本工作面瓦斯、CO等有毒有害氣體以及粉塵,并輸送新鮮空氣,達(dá)到調(diào)節(jié)井下氣候、保證井下工作人員生命安全的目的。煤礦局部通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中存在調(diào)風(fēng)能力不足、智能化水平偏低的問題。如“一風(fēng)吹”、根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)風(fēng)速等,存在瓦斯積聚、瓦斯超限的安全隱患[1-2]。因此,需迫切優(yōu)化煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng),保障煤礦井下工作面安全、穩(wěn)定生產(chǎn)?；诖?筆者對(duì)官地煤礦63上07運(yùn)順掘進(jìn)巷道局部通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),達(dá)到該工作面安全、高效、連續(xù)生產(chǎn)的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為:①提高局部通風(fēng)機(jī)的調(diào)風(fēng)能力,實(shí)時(shí)采集風(fēng)速、風(fēng)量、瓦斯?jié)舛?、CO濃度等傳感器數(shù)據(jù),采用模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)預(yù)調(diào)速功能。②提升局部通風(fēng)機(jī)智能化水平,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能,實(shí)現(xiàn)“一鍵啟動(dòng)”“一鍵倒機(jī)”以及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。③能夠安全、穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行,完善局部通風(fēng)機(jī)溫度保護(hù)、聲光報(bào)警以及可靠供電能力。為實(shí)現(xiàn)上述局部通風(fēng)機(jī)管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo),系統(tǒng)核心器件包括中央處理器、分線裝置、傳感器、HMI平臺(tái)、智能開關(guān)、不間斷電源等,相互聯(lián)系關(guān)系如圖1所示。核心為中央處理器,分別接收分線裝置A、B數(shù)據(jù)后經(jīng)交換機(jī)上傳至工業(yè)環(huán)網(wǎng)并在HMI平臺(tái)實(shí)時(shí)展示系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù);礦用攝像儀將采集到的工作面視頻數(shù)據(jù)經(jīng)交換機(jī)上傳至工業(yè)環(huán)網(wǎng)后在HMI平臺(tái)實(shí)時(shí)展示。中央處理器內(nèi)嵌模糊變頻控制算法對(duì)局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行“一拖一”變頻控制。傳感器由不間斷電源進(jìn)行供電,電壓等級(jí)為DC24 V。

圖1 煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of local ventilation control system in coal mine

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)核心硬件包括中央處理器、分線裝置、智能開關(guān)以及風(fēng)速、風(fēng)筒風(fēng)量、溫度、振動(dòng)、瓦斯?jié)舛取O濃度傳感器,詳細(xì)選型如下。

1)中央處理器:KFAQ02,用于采集局部通風(fēng)管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)并對(duì)風(fēng)機(jī)、通風(fēng)構(gòu)筑物以及其他通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行控制。輸入信號(hào)包括10路-5 ℃～100 ℃溫度信號(hào),12路4～20 mA電流信號(hào),4路數(shù)字量輸入信號(hào)以及6路200～1 000 Hz頻率信號(hào)[3-4];輸出信號(hào)包括4路波特率為9 600 b/s的RS485通訊接口,1路CAN通訊接口,1路TCP/IP通訊接口。以上信號(hào)連接全部使用快速航插。供電電壓為12～24.5 V。

2)分線裝置:JH18,為礦用本安型,用于完成數(shù)據(jù)采集電纜的連接及分線,額定電壓為60 V,額定電流為1 A,防護(hù)等級(jí)為IP54。

3)交換機(jī): SW21,交換機(jī)用于為RS485通訊、TCP/IP通訊提供信息交換渠道,額定電壓為DC127V,4路千兆TCP/IP通訊接口,4路本安TCP/IP通訊接口,1路RS485通訊接口,最大網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)自愈時(shí)間不超過100 ms,設(shè)備吞吐量不小于6 480 Mb/s。

4)智能開關(guān):QJZ-160/1140(660)F,用于控制局部通風(fēng)機(jī)工頻/變頻調(diào)風(fēng),節(jié)約能源。

5)變頻器:BPB-75/660F,用于改變局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率,與局部通風(fēng)機(jī)組成一體化變頻風(fēng)機(jī),發(fā)揮結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小的優(yōu)點(diǎn)。

6)礦用攝像儀:KBA18W,用于將工作面視頻進(jìn)行采集、壓縮、編碼并發(fā)送至井下工業(yè)環(huán)網(wǎng),為礦用防爆監(jiān)控設(shè)備。支持IEEE802.11g通訊協(xié)議,傳輸距離可達(dá)150 m,具有低照度、高清晰度的特點(diǎn),滿足局部通風(fēng)機(jī)惡劣工作環(huán)境。

7)HMI平臺(tái):KC01-70T,用于展示局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等,為礦用本質(zhì)安全型,支持TCP/IP、CAN以及視頻輸入。

8)不間斷電源:KDW127/24/18/12,用于當(dāng)井下斷電時(shí),為井下傳感器提供本安電源,支持3路24 V,3路18 V、2路12 V本安電源輸出,具有保護(hù)功能完善、帶載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

9)聲光報(bào)警器:KXH127(A),用于根據(jù)報(bào)警信息發(fā)出不同聲光報(bào)警信號(hào),電源電壓為127 V。

10)風(fēng)速、風(fēng)筒風(fēng)量、溫度、振動(dòng)、瓦斯?jié)舛?、CO濃度傳感器選型及主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器組主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Major technical parameters of sensor group

2.2 安裝位置設(shè)計(jì)

瓦斯?jié)舛葌鞲衅饔糜趯?shí)時(shí)測(cè)量工作面巷道內(nèi)瓦斯的濃度,T1布置于運(yùn)順掘進(jìn)工作面巷道內(nèi),距迎頭處3～5 m,預(yù)警濃度為0.5%,報(bào)警濃度為0.8%,斷電濃度為1.2%;T2布置于運(yùn)順掘進(jìn)工作面掘進(jìn)巷道內(nèi),距回風(fēng)巷10～15 m,預(yù)警濃度為0.3%,報(bào)警濃度為0.6%,斷電濃度為1%;T3布置于運(yùn)順掘進(jìn)工作面巷道內(nèi),距掘進(jìn)巷道10～15 m,預(yù)警濃度為0.2%,報(bào)警濃度為0.3%,斷電濃度為0.5%[5-7];F1風(fēng)速傳感器布置于運(yùn)順掘進(jìn)工作面巷道內(nèi)的回風(fēng)流處,距迎頭處10～15 m,該處為無分支風(fēng)流、無拐彎、無障礙、斷面無變化、能準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)量的地點(diǎn),用于實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)量大小。

圖2 瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速傳感器安裝位置示意Fig.2 Installation location of gas concentration and wind speed sensors

風(fēng)筒風(fēng)量傳感器用于實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量風(fēng)機(jī)迎頭風(fēng)量以及漏風(fēng)風(fēng)量,1臺(tái)安裝于風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口處,另1臺(tái)安裝于距工作面出風(fēng)口10 m處。振動(dòng)傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)局部風(fēng)機(jī)的振動(dòng)參數(shù),固定于風(fēng)機(jī)支架之上,1臺(tái)風(fēng)機(jī)配置2個(gè)振動(dòng)傳感器并成90°夾角布置[8-9]。溫度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度,貼附于風(fēng)機(jī)電機(jī)機(jī)身。CO濃度傳感器用于實(shí)時(shí)測(cè)量工作面巷道內(nèi)CO的濃度,垂直懸掛于測(cè)量地點(diǎn),距頂板250 mm,距巷壁280 mm。礦用本安型紅外攝像儀用于監(jiān)測(cè)智能開關(guān)、饋電開關(guān)的狀態(tài);礦用本安型球型攝像儀用于監(jiān)測(cè)局部通風(fēng)機(jī)巷道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況,以圖片形式傳送至中央處理器進(jìn)行圖像識(shí)別和判斷。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 算法設(shè)計(jì)

煤礦局部通風(fēng)通風(fēng)管控系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)如圖3所示,采用模糊PID控制算法對(duì)工作于運(yùn)順掘進(jìn)工作面的局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行模糊變頻控制,其中,E為局部風(fēng)機(jī)設(shè)定速度與反饋速度的差值, r/min;Ec為速度差值變化率,r/min2;f為經(jīng)模糊PID控制算法處理后的變頻器運(yùn)行頻率,Hz。以局部通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)速的變化量為輸入信號(hào),綜合考慮反饋的巷道瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù),經(jīng)模糊量化處理、模糊推理決策、模糊判斷后輸出變頻器運(yùn)行頻率,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)局部通風(fēng)電機(jī)的模糊PID變頻控制。

圖3 煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)Fig.3 Algorithm design of local ventilation control system in coal mine

3.2 程序設(shè)計(jì)

1)一鍵啟動(dòng)、一鍵切換程序設(shè)計(jì)。局部通風(fēng)機(jī)“一鍵啟動(dòng)”功能定義為:通過按鈕遠(yuǎn)程控制局部通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)與關(guān)閉。局部通風(fēng)機(jī)“一鍵啟動(dòng)”程序控制流程如圖4所示。

圖4 “一鍵啟動(dòng)”程序流程Fig.4 One-button start program flow

局部通風(fēng)機(jī)“一鍵倒機(jī)”功能定義為:通過按鈕遠(yuǎn)程控制局部通風(fēng)機(jī)主、備風(fēng)機(jī)切換。局部通風(fēng)機(jī)“一鍵倒機(jī)”程序控制流程如圖5所示。

圖5 “一鍵倒機(jī)”程序流程Fig.5 One-button switch program flow

2)變頻調(diào)速程序設(shè)計(jì)。局部通風(fēng)管控系統(tǒng)根據(jù)工作面巷道內(nèi)布置的瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、CO濃度傳感器以及風(fēng)速傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)運(yùn)行風(fēng)機(jī)風(fēng)速、風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié),保障瓦斯?jié)舛?、CO濃度在安全閾值之下。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,設(shè)置瓦斯?jié)舛劝踩撝禐?～0.5%,CO濃度安全閾值為0～0.002 4%。以T4瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳛槔?當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥陬A(yù)警濃度0.2%時(shí),控制風(fēng)機(jī)變頻增風(fēng),降低瓦斯?jié)舛戎涟踩珴舛?當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥趫?bào)警濃度0.3%時(shí),控制風(fēng)機(jī)變頻增風(fēng)降低瓦斯?jié)舛?同時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛仁欠駮?huì)繼續(xù)上升;當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥跀嚯姖舛?.5%時(shí),關(guān)閉該巷道內(nèi)所有非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備并進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)排瓦斯。調(diào)頻增風(fēng)與降頻減風(fēng)時(shí),單次頻率變化為0.5 Hz,在該頻率持續(xù)工作10 min,觀察瓦斯、風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù),若不能達(dá)到預(yù)期,則繼續(xù)增頻或者降頻操作,直至達(dá)到調(diào)風(fēng)要求。同時(shí)設(shè)計(jì)自動(dòng)通風(fēng)模式、自動(dòng)排瓦斯模式,詳細(xì)流程如圖6所示。

圖6 煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)變頻調(diào)速程序設(shè)計(jì)Fig.6 Frequency conversion speed regulation program design of local ventilation control system in coal mine

3.3 HMI設(shè)計(jì)

煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)HMI設(shè)計(jì)基于WAGO SCADA組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)。該組態(tài)軟件基于IOT架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)Web技術(shù),可提供豐富的組態(tài)元素和動(dòng)畫,支持主流瀏覽器,擴(kuò)展性和開放性較好。該組態(tài)軟件支持倍福PLC、西門子PLC等多種數(shù)據(jù)源,支持Modbus TCP/RTU、CAN、CANopen等多種通訊協(xié)議,滿足局部通風(fēng)管控系統(tǒng)HMI設(shè)計(jì)要求[10-12]。中央處理器以CAN總線通訊模式將局部通風(fēng)管控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)設(shè)定值、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)(如電壓、電流、振動(dòng)等波動(dòng)曲線)發(fā)送至WAGO SCADA組態(tài)軟件。WAGO SCADA組態(tài)軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并按照CAN總線通訊協(xié)議進(jìn)行解析、存儲(chǔ)。在WAGO SCADA組態(tài)軟件中設(shè)計(jì)首頁界面、參數(shù)監(jiān)測(cè)界面、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)界面、系統(tǒng)操作界面、故障及報(bào)警界面、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析界面等,實(shí)時(shí)、全面展示煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)狀態(tài)。

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)的正確性和有效性,在官地煤礦的63上07運(yùn)順掘進(jìn)巷道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。該運(yùn)順掘進(jìn)巷道形狀為拱形,斷面面積為18.4 m2,風(fēng)筒直徑為800 mm,風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)量為340 m3/min。該運(yùn)順掘進(jìn)巷道采用FBDY-NO6.3/2×30(660/1140 V)型超低噪聲對(duì)旋局部通風(fēng)機(jī),額定功率為2×30 kW,數(shù)量為2,與PBP型變頻器實(shí)現(xiàn)“一拖一”控制。將煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)各硬件設(shè)備按照?qǐng)D1設(shè)計(jì)要求,采用礦用線纜連接并進(jìn)行通電調(diào)試和試運(yùn)行。

4.2 結(jié)果分析

1)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)的調(diào)風(fēng)能力,在實(shí)驗(yàn)室采用額定功率為3 kW、額定電壓為380 V、額定電流為6.82 A、額定轉(zhuǎn)速為1 140 r/min的三相異步電機(jī)代替實(shí)際通風(fēng)電機(jī),使用0～5 mA電流模擬風(fēng)速傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬏敵鲂盘?hào)。調(diào)節(jié)瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬏敵鲂盘?hào),模擬局部通風(fēng)管控系統(tǒng)調(diào)風(fēng)能力,詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。采用模糊PID變頻調(diào)速方案有效完成了局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)及瓦斯超限排放目標(biāo),檢驗(yàn)了該變頻調(diào)速方案的正確性。

表2 煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)調(diào)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)(部分)Table 2 Speed regulation test data of local ventilation control system in coal mine (partial)

2)工業(yè)性試驗(yàn)。該煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)間為2022年07月-2022年12月,運(yùn)行期間未發(fā)生故障與報(bào)警事故,系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。局部通風(fēng)管控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、設(shè)定參數(shù)、通訊及按鈕狀態(tài)、故障信息等;可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)一鍵啟停、一鍵倒機(jī)操作;風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可隨巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛取O實(shí)時(shí)值動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

表3所示為煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)優(yōu)化前后關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比,優(yōu)化后的局部通風(fēng)管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了專人巡檢、實(shí)時(shí)自檢修、智能變頻調(diào)風(fēng)、多參數(shù)實(shí)時(shí)判斷系統(tǒng)故障的目的,提升了局部通風(fēng)管控系統(tǒng)的智能化水平;現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)人數(shù)由5人減少至2人,實(shí)現(xiàn)了局部通風(fēng)管控系統(tǒng)的減人增效。

表3 煤礦局部通風(fēng)管控系統(tǒng)優(yōu)化前后對(duì)比Table 3 Comparison before and after optimization of local ventilation control system in coal mine

5 結(jié)論

以煤礦局部通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象,重點(diǎn)分析了局部通風(fēng)管控系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)思路和方法,以KFAQ02中央處理器為核心,融合變頻調(diào)速技術(shù)、傳感器技術(shù)對(duì)原局部通風(fēng)管控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并完成現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,得出的結(jié)論為:

1)優(yōu)化后的局部通風(fēng)管控系統(tǒng),在滿足工作面通風(fēng)要求的前提下,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)智能變頻調(diào)速,一鍵啟停、一鍵倒機(jī)以及專人巡檢、實(shí)時(shí)自檢修。

2)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,優(yōu)化后的局部通風(fēng)管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”,提高了系統(tǒng)的智能化水平,有助于提升該工作面作業(yè)安全系數(shù)和作業(yè)效率。