鄭海峰

（陽煤集團一礦，山西陽泉 045000）

0 引言

煤炭一直以來對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展起著重要的作用，煤炭的安全生產(chǎn)是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要保障。井下通風機作為煤礦的重要設(shè)備之一，一直以來有著“礦井肺腑”之稱[1-2]。礦井通風機除了向各個生產(chǎn)工作面輸送新鮮空氣之外，還擔任排出有害物質(zhì)諸如瓦斯、煙塵和煤塵等的重擔[3]。以井下通風機為主要設(shè)備構(gòu)成的煤礦通風系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，將使得井下無法正常生產(chǎn)工作，甚至導(dǎo)致瓦斯突然增高，遇明火發(fā)生爆炸等災(zāi)難性事故，所以研究一種安全、高效、穩(wěn)定的礦井通風機控制系統(tǒng)對保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義[4-5]。本文設(shè)計了一種基于PLC控制器的通風機變頻控制系統(tǒng)，其具有抗干擾能力強、節(jié)省電能和延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點，提高了通風系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 主通風機工作原理

目前，我國大多數(shù)煤礦采用的主通風機主要分為離心式通風機和軸流式通風機兩種。兩者在工作原理與結(jié)構(gòu)性能方面既有相似之處，同時又有各自的特點。離心式通風機由主軸、葉輪、外殼、進氣口和出氣口等機構(gòu)組成[6]。電動機帶動主軸轉(zhuǎn)動，葉輪開始高速旋轉(zhuǎn)，風流在離心力作用下由葉輪中心甩向葉輪邊緣位置，并最終匯集在外殼部分，隨著時間推移，風機內(nèi)壓力逐漸升高，風流在氣壓作用下涌出風機，從而最終形成穩(wěn)定風流。軸流式通風機一般由葉輪、集風器、變流器、擴散器等部分組成[7]。電動機帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，風流通過集風器收集沿著進風口軸向進入風機，經(jīng)過葉輪旋轉(zhuǎn)壓縮，風流的初始動能轉(zhuǎn)換為壓力能，最后經(jīng)過擴散器進一步降低流速，增大出風面積，使得風流沿軸向穩(wěn)定流出。在能效利用方面，離心通風機的利用效率高出軸流式通風機10%～20%左右，本文主要針對離心式通風機進行控制系統(tǒng)設(shè)計。

1.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與控制方案設(shè)計

礦井的通風系統(tǒng)主要由主通風機和風門組成，由于通風機在整個通風系統(tǒng)中為核心部件，所以國內(nèi)大多數(shù)煤礦在設(shè)計時采用了系統(tǒng)冗余的思想。本文也無例外的采用2臺通風機組，1臺通風、1臺備用的思想，確保煤礦通風作業(yè)不會間斷。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，風機控制柜通過檢測風機出口處的壓力信號和風量信號、電機的溫度信號、巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛刃盘杹韺崿F(xiàn)風機的自動控制，其中巷道調(diào)度室與遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接，風機控制柜與巷道調(diào)度室采用RS485串口通信方式實現(xiàn)信號與指令的傳輸。當1號風機發(fā)生故障無法正常通風時，為了保障煤礦井下的安全，巷道調(diào)度室通過調(diào)用風機切換程序?qū)崿F(xiàn)1號風機與2號風機的無間隙切換，以保證井下持續(xù)通風。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)采用負反饋控制方案，其中硬件部分包括PLC控制器、變頻器、主通風機、風量傳感器與瓦斯傳感器等，軟件部分包括上位機及各功能模塊。系統(tǒng)啟動后，由變頻器帶動主電機驅(qū)動通風機通風，系統(tǒng)通過安裝在巷道的傳感器獲取風機出口處的壓力信號，風速信號及巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛鹊刃盘枺谕ㄟ^控制器計算后，系統(tǒng)通過改變變頻器的輸出頻率實現(xiàn)主通風機的風速調(diào)節(jié)。主通風機控制方案如圖2所示，通過閉環(huán)系統(tǒng)PID控制，始終將礦井的各項指標維持在正常水平，保證井下生產(chǎn)安全。

圖2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件部分選型設(shè)計

2.1 控制器整體設(shè)計

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)以PLC為核心控制器，由上位機、人機交互界面、報警裝置、存儲裝置、電源通訊與各類傳感器組成，控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

綜合考慮控制器的輸入輸出點數(shù)、可擴展余量、存儲單元大小與控制功能等特性，最終選用西門子公司生產(chǎn)的S7-300系列作為本系統(tǒng)的核心控制器。S7-300屬于中小型PLC控制器，滿足工業(yè)的中等控制要求，其指令處理速度較快，單個指令的處理時間在0.6μs內(nèi)；人機交互界面方便快捷，工程技術(shù)人員上手簡單，可通過梯形圖直接實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴展；控制器具有自診斷功能，為事故分析提供科學(xué)依據(jù)；具有一定的保密功能[8]。

圖3 控制器硬件設(shè)計

2.2 信號檢測及抗干擾

當電機溫度超過額定值時，會導(dǎo)致零部件損壞，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用PT100型號溫度傳感器，其利用熱電偶定律，傳感器電阻采用熱敏電阻，當被測溫度升高時，傳感器阻值升高，通過檢測阻值大小，利用之間比例關(guān)系換算得到實際溫度。

在檢測風機出口風量大小時，由于巷道內(nèi)的風速流場不均勻，直接測量會造成很大的誤差，所以本文采用皮托靜壓管橫動法，通過測量同一橫截面各個測量點的壓差得到風機的風量大小。

式中：v為通風機風速值；Δp為測量點的平均壓差值；ρ為通過所測截面氣流的空氣密度；n為測量點的個數(shù)；Δpj為測量點的壓差。

在對信號采集時，由于井下環(huán)境復(fù)雜，需對采集信號進行優(yōu)化處理，以抵抗其他因素的干擾。本文設(shè)計的有源低通濾波電路如圖4所示，其由電阻、電容與運算放大器等組成，作用是允許較低頻率的信號通過，抑制高頻率范圍內(nèi)的信號，除此之外還能夠?qū)π盘柶鸬椒糯蟮淖饔?，增加傳感器采集信號的強度，保證信號在傳輸過程中不會發(fā)生失真等情況。

圖4 有源低通濾波電路

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

系統(tǒng)啟動后初始化，開啟井下的風門，變頻器驅(qū)動風機，在若干時間后風機正常工作，井下持續(xù)通風，系統(tǒng)開啟信號采集子程序，采集風機運行參數(shù)，由PLC控制器處理數(shù)據(jù)實現(xiàn)風機閉環(huán)控制。系統(tǒng)查詢中斷子程序，檢測風機的啟動、反向送風與風機倒機狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)子程序，當1號風機發(fā)生故障時，執(zhí)行風機切換子程序?qū)崿F(xiàn)2號風機的無縫銜接，保證井下持續(xù)通風作業(yè)。當接到反風指令時，按下風機停止按鈕，風門始終保持開啟狀態(tài)，電機完全停止后按下反轉(zhuǎn)按鈕，實現(xiàn)反向通風。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖設(shè)計

4 結(jié)束語

本文針對井下工作環(huán)境，設(shè)計了一種基于PLC控制器的礦井通風機變頻控制系統(tǒng)，分析系統(tǒng)的工作原理與信號檢測過程，選用合適的信號檢測裝置與檢測方式對通風機的相關(guān)運行狀態(tài)進行監(jiān)控，以S7-300系列PLC作為風機的主控制器，通過負反饋閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)通風機的出口風速。系統(tǒng)的應(yīng)用將會提高風機之間的聯(lián)動性，實現(xiàn)風機變頻驅(qū)動，降低設(shè)備受到的損耗，延長使用壽命，保證井下持續(xù)通風，維持工作面生產(chǎn)安全。