毛紅衛(wèi)

(山西公信安全技術(shù)有限公司，山西 太原 030031)

0 引 言

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)是保障煤礦安全生產(chǎn)和運(yùn)營的重要組成部分。隨著煤礦開采量的不斷增加及煤礦開采環(huán)境的不斷惡劣，人工手動控制的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)自動化水平低、安全性不高、能耗大等一系列問題越來越無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求[1]。井下環(huán)境復(fù)雜惡劣，迫切需要引進(jìn)自動化控制技術(shù)來解決人工控制方式下的各種問題。自動化控制技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微控制技術(shù)，同時借助傳感器檢測技術(shù)、多種通信技術(shù)等對實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備及工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測、智能分析與處理，并實(shí)現(xiàn)有效控制的綜合應(yīng)用技術(shù)[2-3]。筆者提出一種基于PLC控制器的煤礦自動化通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，借助上位機(jī)組態(tài)技術(shù)、PLC控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、通信技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的自動化控制，節(jié)省了人力物力，極大地改善了井下空氣環(huán)境。

1 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

西山煤電西曲礦井下通風(fēng)系統(tǒng)之前采用人工手動控制方式進(jìn)行通風(fēng)控制，工作人員需時刻關(guān)注井下各種環(huán)境參數(shù)變化，通過判斷進(jìn)行操作，自動化水平低。此次改造將自動化控制技術(shù)引入原有煤礦通風(fēng)系統(tǒng)，優(yōu)化改造系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦通風(fēng)自動化控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個自動化控制系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制中心、傳感器檢測單元、變頻器調(diào)速單元、PLC主控制單元、改造通風(fēng)設(shè)備單元、聲光報警單元、CAN總線通信單元、工業(yè)以太網(wǎng)等組成。其中，傳感器檢測單元負(fù)責(zé)對井下環(huán)境信息進(jìn)行精準(zhǔn)的測量；變頻調(diào)速單元負(fù)責(zé)對通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行變速調(diào)節(jié)；聲光報警裝置負(fù)責(zé)進(jìn)行超限報警；PLC主控制單元負(fù)責(zé)對傳感器檢測單元傳輸?shù)沫h(huán)境信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理、智能分析，同時上傳給遠(yuǎn)程控制中心。通過相互配合，該自動化控制系統(tǒng)可通過對井下環(huán)境信息的監(jiān)測實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的自動化控制、風(fēng)量的按需調(diào)節(jié)。

2 設(shè)計(jì)方案的實(shí)施及應(yīng)用

2.1 PLC主控制器單元選型

PLC主控制器單元是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動化控制的關(guān)鍵設(shè)備，在系統(tǒng)中承擔(dān)著以下功能：①將傳感器采集的井下環(huán)境數(shù)據(jù)上傳給遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行智能處理；②執(zhí)行遠(yuǎn)程控制中心下達(dá)的控制指令，對變頻器進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。PLC主控制器單元由PLC主控制器、EM235模塊、EM232模塊組成。其中，PLC主控制器可采用S7-300系列PLC；EM235模塊負(fù)責(zé)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，成為PLC可以接受的數(shù)據(jù)信號；EM232模塊負(fù)責(zé)對變頻器進(jìn)行控制。系統(tǒng)中PLC主控制器單元采用一主一備兩套設(shè)備進(jìn)行互為備用，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 傳感器檢測單元設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動化控制的前提是對井下進(jìn)行精準(zhǔn)測量，包括通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量以各種環(huán)境信息，通過在巷道中放置各種傳感器的方式來實(shí)現(xiàn)。

傳感器檢測單元由各類礦用傳感器組成，包括粉塵傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氧氣傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、風(fēng)壓傳感器、風(fēng)量傳感器、甲烷傳感器等。傳統(tǒng)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)量少、監(jiān)測范圍小、監(jiān)測信息類別不全面。在自動化控制系統(tǒng)中，對傳感器檢測單元中的傳感器類型進(jìn)行全面選擇，監(jiān)測覆蓋范圍達(dá)到可檢測井下任何需求環(huán)境信息，監(jiān)測的數(shù)據(jù)將為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動化控制提供分析參考。系統(tǒng)中傳感器采用頻分制作為傳輸數(shù)據(jù)信號的方式，該傳輸方式電路構(gòu)造簡單、穩(wěn)定性高且不易發(fā)生故障[4]。

2.3 變頻器調(diào)速單元設(shè)計(jì)與應(yīng)用

變頻調(diào)速技術(shù)在通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是改變了傳統(tǒng)電機(jī)采用電磁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式，僅僅通過改變頻率便可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，降低了通風(fēng)系統(tǒng)電機(jī)的能耗；變頻調(diào)速方式同時可對電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)和按需調(diào)節(jié)，利用PLC主控制器便可實(shí)現(xiàn)，變頻調(diào)速方式還能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動，延長了電機(jī)的使用壽命。因此，變頻調(diào)速單元是通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動化控制的重要技術(shù)之一。

煤礦通風(fēng)設(shè)備屬于大功率機(jī)械，故選用高壓變頻器，采用交-直-交工作方式，變頻器的主電路開關(guān)元件為IGBT，采用多功率單元串聯(lián)，疊波升壓的方式。通過PLC主控制器可對變頻器調(diào)速單元進(jìn)行啟?？刂?，通過不同的頻率給定控制指令，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的按需調(diào)節(jié)。

2.4 通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

煤礦自動化控制通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的按需調(diào)節(jié)通過以下兩種途徑來實(shí)現(xiàn)：①通過調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)?？赏ㄟ^對變頻調(diào)速單元的設(shè)置改變輸出頻率來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)?；蛘咭部蓪?shí)現(xiàn)定時自動控制，加設(shè)爆破開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動通風(fēng)；②通過改變風(fēng)門或百葉窗的角度的角度實(shí)現(xiàn)。利用頻率發(fā)送器實(shí)時監(jiān)測風(fēng)門和百葉窗葉片的狀態(tài)信息并上傳給遠(yuǎn)程控制中心，遠(yuǎn)程控制中心將根據(jù)井下實(shí)際需求下達(dá)控制指令，來轉(zhuǎn)動風(fēng)門或葉片實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。為保證通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠，通風(fēng)設(shè)備在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中采用一用一備的工作方式。

3 遠(yuǎn)程控制中心設(shè)計(jì)與應(yīng)用

遠(yuǎn)程控制中心是整個系統(tǒng)的首腦，以分散監(jiān)測與集中控制為原則。在自動化控制系統(tǒng)中，所有基于井下環(huán)境監(jiān)測到的信息數(shù)據(jù)都要上傳到遠(yuǎn)程控制中心統(tǒng)一管理，經(jīng)過智能分析與集中處理后，由遠(yuǎn)程控制中心下發(fā)控制指令對執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用適用于工業(yè)級別的工控機(jī)作為遠(yuǎn)程控制中心的核心設(shè)備，該工控機(jī)具有豐富的擴(kuò)展接口，可外接多種設(shè)備，同時工控機(jī)中開發(fā)了集監(jiān)測、通信、智能分析與處理、控制等功能于一體的組態(tài)軟件。

遠(yuǎn)程控制中心的具體工作就是采集、分析與處理傳感器檢測到的井下信息，根據(jù)處理結(jié)果對風(fēng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)按需排風(fēng)。同時還具備故障報警功能，當(dāng)監(jiān)測信息超限時，會發(fā)出報警提醒工作人員采取相關(guān)措施處理緊急情況。通過工控機(jī)中的組態(tài)軟件，各類傳感器采集到的環(huán)境信息、風(fēng)量大小及風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況都可以通過曲線的方式展現(xiàn)給工作人員。通過對曲線變化趨勢的分析，工作人員能夠準(zhǔn)確的掌握通風(fēng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，為下達(dá)具體控制指令提供參考。

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

目前，所設(shè)計(jì)的煤礦通風(fēng)自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到西山煤電西曲礦井下通風(fēng)系統(tǒng)上，呈現(xiàn)了很好的效果。下面對人工手動控制方式下和自動化控制方式下兩種情況的通風(fēng)效果進(jìn)行對比，如表1所列，應(yīng)用效果實(shí)際測試時間為1 h。

表1 兩種控制方式下空氣中物質(zhì)含量對比 /%

從表1可以看出，井下通風(fēng)系統(tǒng)采用自動化控制技術(shù)后，井下空氣環(huán)境中物質(zhì)含量發(fā)生了明顯的變化，煙霧、粉塵、有毒氣體等的含量都有明顯的下降，而氧氣含量有了一定的上升，表明井下空氣環(huán)境在采用自動化控制技術(shù)后得到一定的改善與凈化。

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題與不足，將自動化控制技術(shù)引入到煤礦通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)中，經(jīng)過優(yōu)化改造后的通風(fēng)系統(tǒng)可實(shí)時對井下環(huán)境信息、風(fēng)量及通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，便于掌握整個煤礦的井下狀況，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果利用變頻調(diào)速技術(shù)控制風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的按需自動調(diào)節(jié)，傳感器檢測技術(shù)的應(yīng)用提高了排風(fēng)的效率?？傊詣踊刂萍夹g(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的集中化監(jiān)測與控制，促進(jìn)了通風(fēng)系統(tǒng)的全方位升級，實(shí)現(xiàn)了無人監(jiān)控，極大地改善了井下空氣環(huán)境，可大力推廣并廣泛運(yùn)用。