尚 鵬

（陽煤寺家莊有限責(zé)任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

礦井主通風(fēng)系統(tǒng)在為工作面輸送新鮮的空氣的同時，將工作面瓦斯、煤塵等排除。隨著綜采工作面自動化生產(chǎn)程度的越來越高，對通風(fēng)系統(tǒng)的自動化控制水平也提出了更高的要求[1]。目前，由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)對風(fēng)量調(diào)節(jié)不及時及反應(yīng)滯后等問題，導(dǎo)致給礦井工作面的安全生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。因此，設(shè)計一款通風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)控，使其能夠?qū)崟r監(jiān)控工作面的瓦斯、粉塵等濃度，對風(fēng)量進(jìn)行實時控制。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)概述

工作面的通風(fēng)系統(tǒng)包括有主通風(fēng)系統(tǒng)、輔助通風(fēng)系統(tǒng)以及局部通風(fēng)系統(tǒng)。本文著重對礦井的主通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究。一般的，主通風(fēng)系統(tǒng)由主通風(fēng)機(jī)、風(fēng)門以及通風(fēng)管道等組成。其中：主通風(fēng)機(jī)一般設(shè)有兩臺，采取一用一備的工作模式；每臺通風(fēng)機(jī)對應(yīng)的有兩個風(fēng)門，垂直和水平各一個；其中，垂直風(fēng)門在系統(tǒng)的正常運(yùn)行時關(guān)閉或開啟，水平風(fēng)門主要用于對通風(fēng)系統(tǒng)的維修使用[2]。通風(fēng)管道為風(fēng)量的管路，一般將壓力、風(fēng)量以及溫度等傳感器安裝于通風(fēng)管道內(nèi)。

本文所研究主通風(fēng)系統(tǒng)對應(yīng)的通風(fēng)機(jī)為對旋式軸流風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對旋式軸流風(fēng)機(jī)可采用壓入式、抽出式以及壓抽混合式三種工作方式。其中，以抽出式的工作方式居多。因此，本文所研究對旋式軸流風(fēng)機(jī)的工作方式為抽出式。通風(fēng)系統(tǒng)作為綜采工作面的大型綜合系統(tǒng)，其耗電量所占比較大。為達(dá)到節(jié)能的目的，采用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的控制。

2 主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計要求

根據(jù)主通風(fēng)系統(tǒng)在礦井的工作任務(wù)及要求，主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：

1）為提升對主通風(fēng)系統(tǒng)控制的多功能性，要求基于監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制、就地控制、手動控制和自動控制；

2）基于監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)控，并基于通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享；

3）基于監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過控制通風(fēng)機(jī)高壓開關(guān)、低壓開關(guān)、變頻器實現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的控制；

4）基于監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件設(shè)計的監(jiān)控畫面能夠?qū)崟r顯示通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)對主通風(fēng)系統(tǒng)的報警、數(shù)據(jù)查詢等功能[3]。

圖1 對旋式軸流風(fēng)機(jī)

2.2 主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

本文所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對主通風(fēng)系統(tǒng)的在線監(jiān)控和變頻控制。因此，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠根據(jù)工作面的風(fēng)量需求的變化，實時控制變頻器，繼而實現(xiàn)對通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量的控制?；凇耙挥靡粋洹钡墓ぷ髟瓌t，為通風(fēng)系統(tǒng)配置兩臺通風(fēng)機(jī)，且均為抽出式工作方式[4]。根據(jù)控制需求，設(shè)計如下頁圖2所示的主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)。

如圖2所示，主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測層、核心控制層和監(jiān)控管理層組成。其中，現(xiàn)場監(jiān)測層通過風(fēng)量、風(fēng)壓、溫度等傳感器監(jiān)測主通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。此外，現(xiàn)場監(jiān)測層還包括有變頻調(diào)速控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。核心控制層通過485總線和Modbus協(xié)議獲取所監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后得出對應(yīng)的控制策略。監(jiān)控管理層通過以太網(wǎng)獲取并實時顯示主通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并對出現(xiàn)異常的情況進(jìn)行報警。

圖2 主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括有PLC控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)以及對應(yīng)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測設(shè)備的選型設(shè)計。

3.1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)作為監(jiān)控系統(tǒng)的核心系統(tǒng)，其功能是根據(jù)工作面對通風(fēng)量的需求進(jìn)行監(jiān)測和主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的獲取，通過對二者數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析后，得出相應(yīng)的控制策略，從而實現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增大或減小的控制。PLC控制器為PLC控制系統(tǒng)的核心，其控制精度及響應(yīng)特性直接決定控制策略的正確性和有效性。結(jié)合以往PLC選型經(jīng)驗及產(chǎn)品現(xiàn)狀調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇PLC控制器的型號為S7-200系列，與該系列PLC配套的模塊如表1所示。

表1 S7-200系列PLC配套模塊

3.2 變頻器及監(jiān)測設(shè)備的選型

變頻器為變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的核心，針對通風(fēng)機(jī)的變頻器的選型為ACS800-04P。針對主通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測要求及控制任務(wù)要求，對應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備的選型結(jié)果如表2所示。

4 主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

根據(jù)主通風(fēng)系統(tǒng)的工作任務(wù)要求及監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計如圖3所示。

如圖3所示：監(jiān)控系統(tǒng)為每臺通風(fēng)機(jī)均配置了對應(yīng)的變頻器，并以1號通風(fēng)機(jī)為主通風(fēng)機(jī)，2號通風(fēng)機(jī)為備用通風(fēng)機(jī)，當(dāng)1號通風(fēng)機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)故障時啟動2號通風(fēng)機(jī)。通過對1號通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測及工作面風(fēng)量的需求控制1號變頻器的頻率，從而實現(xiàn)對1號通風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速及風(fēng)量進(jìn)行控制。

表2 監(jiān)測設(shè)備選型結(jié)果

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

5 結(jié)語

通風(fēng)系統(tǒng)為綜采工作面的呼吸系統(tǒng)，將工作面的瓦斯、粉塵等排除的同時，為工作面提供新鮮空氣，在保障作業(yè)人員人身安全的同時也為保證綜采工作面的采煤效率奠定了基礎(chǔ)。為進(jìn)一步提升通風(fēng)系統(tǒng)對風(fēng)量調(diào)節(jié)的自動化程度，根據(jù)其控制任務(wù)需求將在線監(jiān)測系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)以及PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合得到主通風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠根據(jù)工作面風(fēng)量的實時需求量和風(fēng)機(jī)的實時運(yùn)行狀態(tài)通過變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)風(fēng)量的實時控制。