趙憲東

（山西臨汾西山生輝煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000）

礦井主通風(fēng)機(jī)素有礦井肺腑之稱，通風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運行是保證礦井安全生產(chǎn)的重要手段。通風(fēng)機(jī)的主要功能是負(fù)責(zé)向煤礦井下輸送新鮮風(fēng)流、排出粉塵和有毒有害氣體。由于煤礦井下的生產(chǎn)環(huán)境惡劣，一旦發(fā)生主通風(fēng)機(jī)的運行故障，會對礦井的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅。保證礦井主通風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運行是礦井安全、高效開采的基礎(chǔ)。

隨著，變頻調(diào)速技術(shù)也煤礦機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用推廣，為了實現(xiàn)對礦井風(fēng)量的有效調(diào)節(jié)，保證主通風(fēng)機(jī)的運行平穩(wěn)。生輝礦采用基于PLC 的變頻調(diào)速技術(shù)對礦井的主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，實踐取得良好效果，就統(tǒng)計年節(jié)約電費支出約60 萬元，同時變頻調(diào)速技術(shù)在主通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用還大幅提升煤礦的智能化、自動化生產(chǎn)水平，體現(xiàn)出節(jié)能降耗效果，具有顯著的社會與經(jīng)濟(jì)效益。

2 礦井主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方案

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢

結(jié)合生輝礦的工程實際，對主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的總體方案進(jìn)行了設(shè)計。根據(jù)交流電源頻率與轉(zhuǎn)速之間存在相對應(yīng)關(guān)系，通過調(diào)節(jié)電源頻率從而實現(xiàn)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到變頻調(diào)速的目標(biāo)。通風(fēng)機(jī)作為礦井的重要電能消耗設(shè)備，采用變頻調(diào)速技術(shù)對主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造可有效調(diào)節(jié)風(fēng)量、提升工作效率、節(jié)約電能，同時變頻調(diào)速技術(shù)具有：調(diào)節(jié)速度范圍大，轉(zhuǎn)速控制精度高。啟動電流低，對整個系統(tǒng)及電網(wǎng)不會造成沖擊，節(jié)點效果明顯。調(diào)節(jié)速度時系統(tǒng)平滑性好，效率高；低速時，靜關(guān)率較高，穩(wěn)定性好。變頻設(shè)備體積小，便于安裝與維修。

2.2 變頻設(shè)計架構(gòu)

山西臨汾西山生輝煤業(yè)有限公司（以下簡稱生輝礦）結(jié)合礦井實際生產(chǎn)地質(zhì)條件，對礦井主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行總體方案設(shè)計，系統(tǒng)的總體設(shè)計架構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩大部分，設(shè)計了2 臺PLC 變頻器，通過瓦斯傳感器對監(jiān)測區(qū)域瓦斯?jié)舛葦?shù)值的采集，到達(dá)模擬量的信號傳遞目的，以實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制、自動切換和智能化監(jiān)控。

圖1 礦井主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)架圖

由圖1 可知：變頻控制系統(tǒng)的瓦斯傳感器R0、R1和壓力傳感器R2分別對井下掘進(jìn)工作面、回風(fēng)巷及局部通風(fēng)機(jī)處的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至A/D 轉(zhuǎn)化器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，再傳輸至PLC 變頻器中，轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行處理的數(shù)字信號，與系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的斷電瓦斯?jié)舛戎颠M(jìn)行比較分析，確定其是否斷電。其中，礦井采掘進(jìn)工作面采集的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化、PLC 處理與其內(nèi)部設(shè)置的臨界瓦斯?jié)舛戎迪啾容^，通過對比分析后，PLC 變頻器發(fā)出信號驅(qū)動通風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變頻調(diào)速。在運行過程中，可實現(xiàn)自動切換控制主通風(fēng)機(jī)的運行，同時，監(jiān)控系統(tǒng)會對瓦斯的濃度進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迗缶?、變頻器故障報警和通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)故障報警等預(yù)警提示，由此保證礦井主通風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運行。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備選型設(shè)計

3.1 變頻器的設(shè)備選型

針對礦井主通風(fēng)機(jī)的實際工況，變頻器需滿足50 Hz 或60 Hz 的工頻電源轉(zhuǎn)換成各種頻率的交流電，達(dá)到電機(jī)變速運行要求。因此變頻器在設(shè)備選型時，應(yīng)特別注意：根據(jù)具體工程需要，確定變頻器的控制方式是恒壓控制還是恒流控制。確定變頻器的負(fù)載類型，注意負(fù)載特性曲線?？刂聘咚匐姍C(jī)，選擇容量稍大的變頻器?？刂崎L期低速運轉(zhuǎn)的電機(jī)，變頻器選擇加大變速比方式，使電機(jī)在較高頻率下工作，等事項。

生輝礦通過調(diào)研，選擇了Siemens Gl20 型變頻器，該變頻器具有很強(qiáng)的控制能力、信息交流能力和安全保護(hù)能力，其具體技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 Siemens Gl20 西門子變頻器參數(shù)表

3.2 PLC 控制器的選型

PLC 控制技術(shù)是以繼電器接觸控制技術(shù)基礎(chǔ)，以微處理器為核心發(fā)展起來的工業(yè)控制裝置，PLC結(jié)構(gòu)主要由存儲器、微處理器和電源等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，其按照控制規(guī)律可分為小型、中型和大型機(jī)器，其中輸入/輸出總點數(shù)在256 點以下為小型機(jī)，總點數(shù)在256～1 024 之間為中型機(jī)，總點數(shù)大于1 024 為大型機(jī)[1-3]，PLC 具有如下特征：

1）PLC 技術(shù)可靠性高，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

2）采用梯形圖進(jìn)行編程，編程簡單易學(xué)。

3）PLC 控制技術(shù)功能繁多，配套使用模板齊全，使用方便。

4）接線簡單，維護(hù)方便，一般設(shè)計周期較短。

5）PLC 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，耗能低。

根據(jù)PLC 控制器具有的特征，結(jié)合生輝礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件，礦井主通風(fēng)機(jī)控制器選型原則有三點：一是選用功能齊全，性能穩(wěn)定的；二是根據(jù)主通風(fēng)機(jī)使用環(huán)境、維修率選擇PLC 的結(jié)構(gòu)形式；三是根據(jù)礦井通風(fēng)機(jī)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)選擇高、低檔位機(jī)器。通過調(diào)研最終選用西門子S7-200 系列的PLC 控制器。

圖2 PLC 基本機(jī)構(gòu)組成示意圖

3.3 瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟x型與安裝

瓦斯?jié)舛葌鞲衅髦饕糜诒O(jiān)測工作面回風(fēng)巷、掘進(jìn)工作面和局部通風(fēng)機(jī)附近的瓦斯?jié)舛龋浒惭b位置對于根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測精度有重要影響。

針對生輝礦的瓦斯分布情況和涌出特性，瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲬?yīng)選擇主動連續(xù)進(jìn)行瓦斯監(jiān)測敏感型傳感器，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)KG9701 型低濃度沼氣傳感器，具有瓦斯主動連續(xù)檢測特性，性能可靠、具有較強(qiáng)的抗干擾能力。此外該傳感器自帶電子顯示屏，可時時顯示監(jiān)測處瓦斯?jié)舛戎担⑴c傳感器系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的瓦斯?jié)舛扰R界值相比較分析，進(jìn)而準(zhǔn)確及時地發(fā)出報警提示。其主要性能參數(shù)如表2 所示。

表2 KG9701 型瓦斯傳感器技術(shù)參數(shù)

生輝礦結(jié)合實際工程條件，瓦斯傳感器R0安裝在掘巷工作面端口5 m 處，在回風(fēng)巷安裝瓦斯傳感器R1，在進(jìn)風(fēng)巷局部通風(fēng)機(jī)出口末端安裝壓力傳感器R2，瓦斯傳感器的安裝示意圖如圖3 所示。

圖3 瓦斯傳感器安裝示意圖

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)主要控制程序設(shè)計

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由主控程序、A/D 轉(zhuǎn)化程序、瓦斯?jié)舛炔杉绦驑?gòu)成，彼此相互配合，以實現(xiàn)對礦井主通風(fēng)機(jī)的自動化和智能化監(jiān)控。

4.1 主控程序設(shè)計

主控程序作為礦井通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心程序，對于控制程序的調(diào)用及相應(yīng)功能的運行起重要作用。通過主控程序的指令傳輸，實現(xiàn)對井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測、報警和風(fēng)機(jī)通風(fēng)量調(diào)節(jié)。具體流程如圖4 所示。

圖4 主控程序流程圖

4.2 A/D 轉(zhuǎn)化程序設(shè)計

A/D 轉(zhuǎn)化程序是將傳感器采集的信息進(jìn)行信號轉(zhuǎn)化，并與程序內(nèi)部設(shè)置的斷電瓦斯?jié)舛戎颠M(jìn)行比較分析，實現(xiàn)對EM255 元件連接情況及是否進(jìn)行斷電控制判斷。

4.3 瓦斯?jié)舛炔杉绦蛟O(shè)計

瓦斯?jié)舛炔杉绦蚴菍ΦV井瓦斯主要來源處及瓦斯?jié)舛戎攸c監(jiān)測點進(jìn)行瓦斯?jié)舛炔杉木珳?zhǔn)性程序，通過該程序的使用，不僅使變頻調(diào)速系統(tǒng)對通風(fēng)機(jī)及時的進(jìn)行調(diào)速控制，而且做到對掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛葧r時監(jiān)測采集，并進(jìn)行瓦斯?jié)舛绕骄档挠嬎?，使煤礦更好地掌握井下的瓦斯?jié)舛茸兓怠?/p>

5 結(jié)語

生輝礦設(shè)計的礦井主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可有效地控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量，實現(xiàn)對井下瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測、計算、報警及控制等功能，其在通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用，大大增強(qiáng)了礦用通風(fēng)機(jī)通風(fēng)量的智能化監(jiān)測精度，提高了通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)效果和井下作業(yè)安全，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。