張紅宇

（山西煤炭進出口集團左權鑫順煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 032699）

引言

煤礦井下環(huán)境復雜，通常井內(nèi)部空氣不流通，包含有很多有毒有害氣體。這些有害氣體如果不對其進行干預，就會對井下工作人員身體健康造成嚴重損害，且有可能引發(fā)粉塵爆炸安全事故[1-2]。為了保障井下工作人員的安全，通常都會使用通風機來抽換礦井內(nèi)的空氣，將井內(nèi)有毒有害和各種粉塵等抽出井外，并且將新鮮空氣輸送到工作區(qū)域[3-4]。為了確保絕對安全，礦用通風系統(tǒng)都是24 h 不間斷工作。這就要求礦用通風系統(tǒng)必須具備非常高的可靠性。因為一旦通風系統(tǒng)出現(xiàn)故障無法正常運行，就會對井下工作人員的生命安全構(gòu)成嚴重威脅。當前階段我國很多煤礦通風系統(tǒng)的可靠性還有待進一步提升，控制系統(tǒng)也無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)要求。另一方面，通風系統(tǒng)24 h 不間斷運行，需要消耗大量電能[5-6]。如果采用定頻技術就會浪費很多的電能，不利于煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。基于上述分析可以看出，將變頻技術應用到礦用通風系統(tǒng)中并設計可靠的控制系統(tǒng)，具有非常重要的實踐意義和理論意義。

1 系統(tǒng)總體方案的設計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

煤礦通風機系統(tǒng)由多個部分構(gòu)成，分別為通風機、控制和電氣設備等。每個位置都會設置兩臺通風機互為備用，正常工作狀態(tài)下只有一臺通風機使用，另外一臺通風機處于備用狀態(tài)。每臺通風機都配備有單獨的電機、電源及其他輔助裝置。圖1 所示為煤礦使用的通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。通過傳感器測量得到通風機的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，通過工控機和觸摸屏對通風機運行狀態(tài)進行在線監(jiān)控。變頻器是整個變頻系統(tǒng)的核心，通過變頻器實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)整，進而控制通風機的風速。通過高壓柜對變頻器進行直接供電，提供的電壓為6 kV，其他機電設備都通過抵押開關柜供電。

圖1 礦用通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)控制模式

本文設計的通風機控制系統(tǒng)可以通過三種方式對通風機設備進行控制，分別為現(xiàn)場控制、上位機控制和操作臺控制。通風系統(tǒng)風速大小通過變頻器驅(qū)動電機進行調(diào)節(jié)，不再需要通過傳統(tǒng)的蝶閥控制，可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，極大降低了人工勞動強度，且節(jié)能效果顯著。不管是何種控制方式，都能對所有的通風機電機進行控制。系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下由上位機完成電機控制工作。操作臺控制主要應用在系統(tǒng)調(diào)試和試驗階段，緊急情況下也可通過操作臺控制電機的啟停。

1.3 系統(tǒng)監(jiān)測部分

通風機系統(tǒng)在運行過程中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息是通過采集模塊進行收集的。需要收集的信息數(shù)據(jù)包括設備正常運行數(shù)據(jù)、通風機的工藝數(shù)據(jù)以及變頻器狀態(tài)數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)信息通過傳輸系統(tǒng)輸送到PLC 中利用提前設定的程序進行處理。并通過上位機對通風機系統(tǒng)進行監(jiān)控，上位機中利用顯示屏可以進行人機互動，本系統(tǒng)采用觸摸屏，操作人員可直接通過屏幕操作系統(tǒng)。上位機監(jiān)測得到的通風機系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)信息，通過信號傳輸系統(tǒng)輸送到煤礦調(diào)度室。工作人員可以隨時掌握煤礦井下通風機的工作狀態(tài)，并基于現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)完成統(tǒng)一調(diào)配工作。

2 礦用通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件部分的設計

本系統(tǒng)中涉及到的硬件主要包括PLC 控制器、變頻器、操作臺等，下面分別對這些硬件進行簡要介紹。

2.1 PLC 選型及其工作原理

PLC 是整個控制系統(tǒng)的核心。為保證煤礦井下安全，本文選用性能相對較高的S7-400H 型號可編程邏輯控制器。該型號PLC 采用冗余CPU 設計，有較高的可靠性。當主CPU 在運行過程中突然遇到故障問題，系統(tǒng)會將其數(shù)據(jù)信息拷貝到備用CPU 中，由備用CPU 繼續(xù)保持工作。使用冗余CPU 控制的目的在于避免由于CPU 突發(fā)故障導致通風機控制系統(tǒng)癱瘓無法工作，對煤礦造成不可挽回的損失。

2.2 變頻器選型

變頻器是調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的重要執(zhí)行機構(gòu)，工作原理是通過調(diào)節(jié)頻率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)通風系統(tǒng)風速大小以及風量大小?？蛇M行現(xiàn)場調(diào)節(jié)和遠程調(diào)節(jié)，而遠程調(diào)節(jié)又包括操作臺調(diào)節(jié)和上位機調(diào)節(jié)。系統(tǒng)在正常運行時主要是通過上位機進行自動控制調(diào)節(jié)，上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP 協(xié)議對變頻器的頻率進行控制。為滿足通訊要求，變頻器應該配備有DP 通信端口。本系統(tǒng)利用西門子公司生產(chǎn)的無諧波變頻器，該變頻器在實際應用中具備很多優(yōu)勢，比如，能與計算機進行直接連接、可靠性高、自整定電機參數(shù)等。變頻器在工作中通常會產(chǎn)生有害諧波和轉(zhuǎn)矩脈動，而本文選用的無諧波變頻器正好能完美消除上述兩項缺陷，使整個調(diào)節(jié)過程變得更加穩(wěn)定。本變頻器中，當給定的頻率小于10 Hz 時，變頻器啟動并以10 Hz 進行工作，當給定頻率超過10 Hz 時則變頻器以給定的實際頻率進行工作。

2.3 操作臺的設計

本系統(tǒng)中利用兩臺低壓開關柜對操作臺進行不間斷供電，兩臺開關柜只要有一臺能夠正常工作就不會出現(xiàn)斷電情況。通過操作臺可實現(xiàn)遠程控制通風機設備電動機的啟動與停止，這樣即便上位機自動控制出現(xiàn)故障，也能夠通過操作臺實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行。

3 礦用通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件部分的設計

礦用通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)必須要配備相應的軟件系統(tǒng)才能夠正常工作，軟件系統(tǒng)主要包含兩部分內(nèi)容，分別為控制部分和監(jiān)測部分，以下分別對這兩部分內(nèi)容進行詳細介紹。

3.1 控制部分的設計

控制部分的作用主要是對通風機及其相關輔助設備進行遠程控制。軟件設計是基于硬件系統(tǒng)通過模塊化編程方式編寫控制程序，結(jié)合實際需要編寫程序，并將不同程序嵌入到對應的邏輯模塊中，每個控制任務或設備都通過與之對應的邏輯模塊進行控制。如圖2 所示為礦用通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)整體控制流程圖。

圖2 礦用通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)整體控制流程圖

合理設計控制程序是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎和前提，本研究通過STEP7 軟件編寫相關程序。切換柜可以在常用和備用兩種狀態(tài)下進行切換，正常情況下均在常用狀態(tài)下工作。一旦主通風機出現(xiàn)故障無法正常工作，系統(tǒng)就需要啟用備用狀態(tài)。整個切換過程涉及到很多流程，都需要通過控制程序自動實現(xiàn)。

如圖3 所示為通風機系統(tǒng)風速控制流程圖?？梢栽谙到y(tǒng)中設定理想的井內(nèi)通風狀態(tài)，并利用專業(yè)的傳感器實時檢測井內(nèi)實際的通風狀態(tài)。將傳感器檢測的實際結(jié)果與系統(tǒng)中人為設定的結(jié)果進行對比，如果兩者之間存在差值，系統(tǒng)就通過PID 控制進而驅(qū)動變頻器調(diào)節(jié)通風機風速，直到煤礦井下的實際狀態(tài)與理想狀態(tài)相同，通風機的運行狀態(tài)就保持穩(wěn)定。

3.2 檢測部分的設計

圖3 風速控制流程圖

圖4 礦用通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)測部分的工作原理示意圖

如下頁圖4 所示為礦用通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)測部分工作原理示意圖。設計的監(jiān)測系統(tǒng)由多個部分構(gòu)成，主要包括PLC 控制器、上位機、傳感器、通訊系統(tǒng)等，監(jiān)測系統(tǒng)的作用就是對通風機系統(tǒng)實施實時監(jiān)測。本監(jiān)測系統(tǒng)可將傳感器收集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)缴衔粰C顯示屏中實時顯示，操作人員可通過各數(shù)據(jù)的變化曲線了解通風系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可見本系統(tǒng)非常直觀，易于操作。由于采用了功能可靠的PLC 控制技術，所以本系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾性能好的特點。

利用傳感器可以監(jiān)測獲得通風機出口位置的風速、風壓等關鍵數(shù)據(jù)信息，通風機的運行狀態(tài)，電機的運行狀態(tài)參數(shù)比如電壓值、電流值、功率值、溫度等。監(jiān)測系統(tǒng)可以將傳感器收集到的數(shù)據(jù)信息存儲到服務器中，能對服務器中的數(shù)據(jù)信息進行查詢。一旦系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)信息存在異常，監(jiān)測系統(tǒng)就會發(fā)出警報提醒工作人員。不管是在何種模式的控制方式下，都必須基于監(jiān)測系統(tǒng)測量得到的真實數(shù)據(jù)信息進行控制，因此要求監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的可靠性。

4 結(jié)論

礦用通風機系統(tǒng)是保障煤礦井下安全的重要機械設備之一，要求24 h 不間斷運行。因此對其控制可靠性以及節(jié)能方面提出了較高的要求。本研究設計了一套礦用通風機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，主要通過性能強大的S7-400H 型號可編程邏輯控制器進行控制，因采取的是冗余CPU 設計，因此具有較高的可靠性。另外，通過變頻技術的使用，能夠為礦井節(jié)省大量的電力能源。