王 凱

（西山煤電馬蘭礦， 山西 太原 030205）

引言

礦井通風系統(tǒng)用于供給井下新鮮空氣，排出有害氣體及粉塵，從而保障井下人員的安全及煤礦安全生產(chǎn)的有序進行。主扇風機作為礦井通風系統(tǒng)的核心組件和風量來源，其安全性和穩(wěn)定性極其重要。同時，井下風量、風速又是一個動態(tài)的過程，需按一定要求安全穩(wěn)定地供給，因此，對主扇風機的工作狀態(tài)、風速、風量的有序控制是一個重要的研究方向[1]。

馬蘭礦目前采用人工定時監(jiān)測主扇風機運行參數(shù)的方法，通過讀取儀表數(shù)據(jù)并進行記錄的方式進行井下風量管理。該方法無法對井下各巷道進行實時、定點的風量管理，且風機控制粗放，能源浪費嚴重。

1 風量的調(diào)節(jié)理論和監(jiān)測

根據(jù)典型風機的負載特性曲線，通風系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀態(tài)時，處于風機負載特性曲線與系統(tǒng)阻力曲線的交點[2]，如圖1所示。

圖1 風機負載特性與系統(tǒng)風阻曲線

由圖1可以看出，相同的通風量Q可以通過不同風阻曲線和風機負載曲線匹配得到，如上圖B、C點。而根據(jù)流體力學(xué)，風機消耗的功率為P=KQH/η。

式中：Q為監(jiān)測點流量；H為氣壓；K為風機常數(shù)；η為風機效率。

對于將風量Q1降到Q2，常用的方法為調(diào)節(jié)風阻，即將A點工況變?yōu)锽點工況，此時節(jié)約的功率為：△PAB=△PA-△PB；而如果改為通過改變電機頻率來改變風速時，當風量Q1降到Q2，即A點工況變?yōu)镃點工況，此時節(jié)約的功率為：△PAC=△PA-△PC。由上述可知，采用改變電機頻率比調(diào)節(jié)風阻多節(jié)約的功率△P=△PAC-△PAB=（△PA-△PC）-（△PA-△PB）=△PB-△PC=KQ2H2/η-KQ2H3/η=KQ2（H2-H3）/η。因此，在改變相同的風量下，可以通過不同的風速和風阻，調(diào)節(jié)風機的實際使用功率，從而達到優(yōu)化主扇風機風量控制的目的。

風量和風壓是風機的重要參數(shù)，關(guān)系著整個通風系統(tǒng)控制策略的實施。風量監(jiān)測一般布置在巷道的平直段，通過大口徑的風量流量計進行測量。

在馬蘭礦的風量狀態(tài)監(jiān)測中，采用井下總回風巷布置風量測量器，該風量測量器由兩個取壓管和壓力變送器組成，其中一個取壓管測量迎風壓力，另一個取壓管背對風流方向，取背風壓力，最終接到壓力變送器，通過PLC變成風量信號[3]，極大地簡化了測量難度。風量測量方法如圖2所示。

圖2 風量測量方法

2 主扇風機系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)前述主扇風機系統(tǒng)的控制要求進行風量控制的實時監(jiān)控，目前，實時監(jiān)控系統(tǒng)依據(jù)結(jié)構(gòu)劃分主要有集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。依據(jù)馬蘭礦的現(xiàn)場實際，對其風量控制采用工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)，即將系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與信息管理層組成整體網(wǎng)絡(luò)，其總架構(gòu)如圖3所示。

圖3 主扇風機系統(tǒng)架構(gòu)圖

根據(jù)上述系統(tǒng)架構(gòu)圖，其數(shù)據(jù)來源為現(xiàn)場儀表設(shè)備層?，F(xiàn)場儀表設(shè)備層作為基礎(chǔ)層級，由各測量模塊、傳感器及執(zhí)行模塊組成。例如電機溫度、軸承溫度、風量、負壓及電機控制器運行參數(shù)等[4]。

集散控制層作為連接上層決策與底層數(shù)據(jù)之間的層級，包括PLC工作站和動態(tài)交互界面。PLC工作站主要實現(xiàn)儀表設(shè)備層的變量采集和相應(yīng)固定工況的執(zhí)行器邏輯響應(yīng)；動態(tài)交互界面提供人機交互，包括關(guān)鍵變量的顯示、固定控制指令的發(fā)布及日志的生成等。

對于風量控制而言，主要涉及PLC工作站的模擬量采集和電機變頻器的邏輯控制。通過前述風壓傳感器的模擬量采集，將迎風壓力和背風壓力信號輸入PLC，計算得到風量信息，經(jīng)過數(shù)值轉(zhuǎn)換，將風量信息通過人機交互界面顯示出來。同時，變頻器是風量的執(zhí)行器，當需風量信息給定在系統(tǒng)，通過該點的風量測量系統(tǒng)得到供給風量，系統(tǒng)計算此時應(yīng)該給定的電機頻率，并通過PLC將電信號傳輸?shù)诫姍C。

信息管理層中，上位機根據(jù)系統(tǒng)要求，采用圖形化的界面顯示，對各部位傳感器狀態(tài)、溫度、風壓、風量及風機和變頻器的狀態(tài)等信息進行顯示，并對異常狀態(tài)進行警示，主要用于異常工況的處置和主扇風機日常調(diào)度。

本系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進行通信，各通信端口進行相應(yīng)配置，使上位機I/O變量與下位機PLC進行數(shù)據(jù)交互。

3 風量控制策略

根據(jù)馬蘭礦主扇風機實際運行參數(shù)，對上述風量控制策略進行實驗。系統(tǒng)給定需風位置風量為9 000 m3/min，系統(tǒng)輸出電機變頻器給定初始頻率，當監(jiān)測風量達不到需風風量時，頻率值快速響應(yīng)并使風量不斷增大；當實際風量達到9 000 m3/min時，由于頻率比所需頻率較高，隨即變頻器將頻率降低，最終達到穩(wěn)定風量。風量調(diào)節(jié)實驗響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 實驗響應(yīng)曲線

由此說明該系統(tǒng)通過風量調(diào)節(jié)計算可以快速給定需風量對應(yīng)的風機頻率，并通過小幅調(diào)整達到穩(wěn)定狀態(tài)，該系統(tǒng)無大幅波動，風量超調(diào)量小，系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1）通過風機負載特性-風阻特性研究找到風量控制方法可有效降低主扇風機能耗；

2）馬蘭礦主扇風機系統(tǒng)架構(gòu)可及時有效的監(jiān)控各需風點的狀態(tài)并對其風量進行控制；

3）本風量控制系統(tǒng)穩(wěn)定，對井下需風點風量供給超調(diào)量小。