秦錦東

（大同煤礦集團(tuán)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(guó)國(guó)民生產(chǎn)中消耗占比最多的資源，是改革開放以來(lái)經(jīng)濟(jì)迅速穩(wěn)步增長(zhǎng)的關(guān)鍵保障[1]。由于開采環(huán)境的特點(diǎn)，煤巖中儲(chǔ)存有大量的瓦斯等有毒有害氣體，在煤炭的生產(chǎn)過(guò)程中，如果瓦斯等有害氣體排放不及時(shí)，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(jī)也被稱為“礦井肺腑”，是煤礦的四個(gè)主要設(shè)備之一，負(fù)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(jī)一旦發(fā)生故障或者停運(yùn)，將會(huì)導(dǎo)致井下瓦斯積聚，對(duì)整個(gè)井下工作面的安全造成威脅，生產(chǎn)過(guò)程將不得不停滯，嚴(yán)重制約煤礦的生產(chǎn)效率[5-6]。目前國(guó)內(nèi)礦井通風(fēng)機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)存在過(guò)于簡(jiǎn)單，節(jié)能效果差，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)不到位等缺點(diǎn)，所以建立一種功能完善，可靠性高的井下通風(fēng)機(jī)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(jī)與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。通風(fēng)機(jī)按照結(jié)構(gòu)特征可以分為離心式通風(fēng)機(jī)與軸流式通風(fēng)機(jī)兩種。離心式通風(fēng)機(jī)由動(dòng)輪、電機(jī)、主軸、錐形擴(kuò)散器與殼體組成，工作時(shí)，依靠動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的離心作用產(chǎn)生吸力，將空氣吸入進(jìn)氣口，經(jīng)由葉輪折轉(zhuǎn)90°后流入機(jī)殼，最終由擴(kuò)散器排出，其中，前導(dǎo)器可用來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)流進(jìn)入葉輪前的流向，進(jìn)而改變風(fēng)機(jī)輸出的風(fēng)量與風(fēng)壓。軸流式通風(fēng)機(jī)由動(dòng)輪、集風(fēng)器、整流器與環(huán)形擴(kuò)散器等組成，工作時(shí)動(dòng)輪的葉片快速轉(zhuǎn)動(dòng)，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(fù)壓，將空氣引入機(jī)體，從而形成空氣的穩(wěn)定流動(dòng)。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(guò)改變巷道的布置，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的連接方式也會(huì)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(jī)冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，在工作風(fēng)機(jī)發(fā)生故障的情況下，主站通過(guò)切換風(fēng)機(jī)的方式，利用另一臺(tái)正常的風(fēng)機(jī)為井下持續(xù)通風(fēng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)主站通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接，1 號(hào)風(fēng)機(jī)及控制柜與二號(hào)風(fēng)機(jī)及控制柜通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線RS485 的方式實(shí)現(xiàn)信息傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)主站通過(guò)監(jiān)視器對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并可通過(guò)調(diào)試程序切換風(fēng)機(jī)的運(yùn)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(jī)的控制系統(tǒng)包括上位機(jī)、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(yè)圖2所示。控制系統(tǒng)采用負(fù)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(jī)及各種信號(hào)傳感器。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，PLC 控制器通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)，風(fēng)流持續(xù)流入巷道，系統(tǒng)通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)風(fēng)流的壓力信號(hào)與速度信號(hào)等，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)計(jì)算處理后，上位機(jī)通過(guò)PID 控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的電信號(hào)，控制變頻器的頻率信號(hào)，從而對(duì)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停止與轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，形成系統(tǒng)的閉環(huán)負(fù)反饋控制。

圖2 系統(tǒng)控制原理圖

變頻調(diào)速是目前公認(rèn)的最適合于交流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的方式，在應(yīng)用于風(fēng)機(jī)類的工程上時(shí)，還具有非常良好的節(jié)能性。風(fēng)機(jī)等泵類通常采用改變出口處開口量的方式進(jìn)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(jī)處于24 h 作業(yè)，低效的調(diào)速方式會(huì)帶來(lái)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(jī)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)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(jī)流量；n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；H為風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓；P為風(fēng)機(jī)的軸功率。

風(fēng)機(jī)流量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，風(fēng)機(jī)的軸功率與風(fēng)機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速將大幅的降低風(fēng)機(jī)的負(fù)載，較少風(fēng)機(jī)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(guò)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(jì)

2.1 控制器選型設(shè)計(jì)

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(duì)PLC 控制器選型時(shí)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)I/O 接口、計(jì)算功能與存儲(chǔ)容量進(jìn)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(jī)界面友好，自帶保護(hù)功能和診斷功能等優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行編程，簡(jiǎn)單直觀，具有智能的信號(hào)處理模塊，抗干擾能力強(qiáng)。

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(jī)的控制系統(tǒng)，具有以用戶為導(dǎo)向的優(yōu)點(diǎn)，操作面板與通訊面板更加人性化，相對(duì)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(gè)變頻器分別對(duì)1、2 號(hào)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，圖中M1 與M2 分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)風(fēng)機(jī)，F(xiàn)A 為電路的熔斷器，S2 與S4 分別控制兩個(gè)電機(jī)變頻運(yùn)行，S3 與S5 分別控制兩風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行。

圖3 控制柜主線路圖

2.2 風(fēng)機(jī)信號(hào)監(jiān)測(cè)

由于井下環(huán)境較差，在對(duì)風(fēng)速測(cè)量時(shí)難以準(zhǔn)確定位，測(cè)試精度差，所以本系統(tǒng)采用皮托靜壓管橫動(dòng)法對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)計(jì)算被測(cè)截面的平均壓差與靜壓，計(jì)算得到通過(guò)截面的平均風(fēng)速：

式中：ρ 為所測(cè)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(cè)得的靜壓與動(dòng)壓等信號(hào)通過(guò)壓力變送器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所測(cè)地點(diǎn)的風(fēng)壓即靜壓與動(dòng)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(jī)在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)溫度超限的情況，導(dǎo)致電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子燒壞，破壞系統(tǒng)功能，所以對(duì)風(fēng)機(jī)溫度信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是十分必要的，本系統(tǒng)采用PT100 型溫度信號(hào)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(guò)溫度與阻值之間的換算關(guān)系，可得到電機(jī)溫度值。

3 系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計(jì)

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(gè)掃面周期結(jié)束后開始讀寫數(shù)據(jù)，調(diào)用1 號(hào)主風(fēng)機(jī)與2 號(hào)備用風(fēng)機(jī)的控制程序，對(duì)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)與風(fēng)門進(jìn)行控制，運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)子程序?qū)︼L(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)風(fēng)機(jī)故障時(shí)，調(diào)用故障報(bào)警子程序，系統(tǒng)停機(jī)，主程序結(jié)束見(jiàn)75 頁(yè)圖4。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種井下通風(fēng)機(jī)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(jī)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(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 主程序流程圖