李 允

（潞安化工集團(tuán)五陽煤礦，山西 襄垣 046200）

五陽煤礦位于潞安礦區(qū)東北部邊緣，屬高瓦斯礦井，礦井瓦斯相對涌出量29.63 m3/t，礦井瓦斯絕對涌出量為101.71 m3/min。礦井通風(fēng)方式為分區(qū)對角混合抽出式，南回風(fēng)立井和北回風(fēng)斜井分別安裝兩套對旋式風(fēng)機(jī)，西山底回風(fēng)立井安裝兩套軸流式主通風(fēng)機(jī)。由于各個(gè)區(qū)域距離遠(yuǎn)，通風(fēng)系統(tǒng)相對分散，因此長期以來無法做到統(tǒng)一控制，均靠人工進(jìn)行巡檢、調(diào)控，不僅效率低而且巡檢效果差，無法根據(jù)井下實(shí)際需求對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，也無法對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，導(dǎo)致通風(fēng)能耗高、故障率高。

本文提出了一種新的煤礦井下通風(fēng)控制系統(tǒng)，采用了集中控制、柔性調(diào)節(jié)模式，同時(shí)在系統(tǒng)中增加了故障自動診斷功能，不僅實(shí)現(xiàn)了對各區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的集中控制，而且能夠根據(jù)井下的實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的靈活調(diào)整，滿足了柔性調(diào)節(jié)的需求，同時(shí)通過故障自動診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障的自動檢測預(yù)警。

1 礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)

根據(jù)五陽煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際情況，綜合改造成本、改造效益和改造可行性三個(gè)方面的因素，最終所確定的改造后通風(fēng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1[1]。

圖1 五陽礦通風(fēng)控制系統(tǒng)示意圖

由圖1 可知，改造后該控制系統(tǒng)主要包括了監(jiān)控對象模塊、數(shù)據(jù)信息采集模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊以及人機(jī)界面四個(gè)部分。監(jiān)控對象模塊主要包括了通風(fēng)機(jī)、電控柜、風(fēng)門及變頻器，主要對其工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，滿足智能調(diào)控需求。數(shù)據(jù)信息采集模塊主要是利用設(shè)置在監(jiān)測對象或者井下的各類傳感器對影響監(jiān)測對象運(yùn)行狀態(tài)的核心參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，為進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。信號轉(zhuǎn)換模塊主要是將各類傳感器監(jiān)測到的常量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，便于系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。人機(jī)界面主要包括工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)中心和監(jiān)控終端，主要用于顯示各通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息，還允許操作人員通過該操作界面進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)整，滿足緊急情況下的調(diào)整需求。

2 通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

為了滿足通風(fēng)機(jī)集中控制、柔性調(diào)整的控制需求，結(jié)合五陽煤礦的實(shí)際情況，開發(fā)了一種全新的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制邏輯，該控制結(jié)構(gòu)如圖2[2]。

圖2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)閉環(huán)控制邏輯

由圖2 可知，該控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)對監(jiān)測區(qū)域的風(fēng)量、負(fù)壓、井下瓦斯、粉塵濃度等進(jìn)行連續(xù)不斷的監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到目前的風(fēng)量不能滿足井下通風(fēng)安全性需求后，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果所計(jì)算出的調(diào)整偏差量，輸出反饋調(diào)節(jié)信號，該信號經(jīng)過濾波調(diào)整、PID 控制調(diào)整后轉(zhuǎn)換為輸出頻率信號XG，控制變頻器的輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的柔性調(diào)節(jié)。為了滿足控制穩(wěn)定性的需求，在該系統(tǒng)中采用了對實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行雙重邏輯對比調(diào)整的模式，從而保證對通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。

由于五陽煤礦通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行周期較長，為了確保在不同模式下井下的通風(fēng)安全性能，在該控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了故障下風(fēng)機(jī)切換模式和正常情況下風(fēng)機(jī)切換模式。若在正常情況下進(jìn)行風(fēng)機(jī)切換，則選擇等風(fēng)量替代切換，對主風(fēng)機(jī)和備用風(fēng)機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)速聯(lián)動機(jī)制，根據(jù)主風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度對備用風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)整，從而滿足不停機(jī)、不停風(fēng)的切換需求。當(dāng)在故障情況下，則系統(tǒng)快速切斷主風(fēng)機(jī)的運(yùn)行程序同時(shí)開啟備用風(fēng)機(jī)的緊急啟動程序，實(shí)現(xiàn)最小風(fēng)量損失情況下的風(fēng)機(jī)切換。

3 風(fēng)機(jī)故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)

五陽煤礦項(xiàng)目組通過對大量的風(fēng)機(jī)故障類型進(jìn)行分析，采用故障樹分析的方式，建立了風(fēng)機(jī)故障自動巡診系統(tǒng)[3]。該巡診系統(tǒng)基于監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測到的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過對異常數(shù)據(jù)逐級的分析，確定故障類別和解決方案。

診斷風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的機(jī)械故障，則采用了SQL 數(shù)據(jù)庫方案[4]。收集不同故障下風(fēng)機(jī)運(yùn)行的診斷頻譜，將其轉(zhuǎn)換為特定的故障頻譜曲線存儲到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻譜進(jìn)行監(jiān)測，若出現(xiàn)頻譜異常則系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警并與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的故障頻譜進(jìn)行匹配，最終確定故障類別。通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)故障頻譜曲線如圖3。

圖3 通風(fēng)機(jī)故障頻譜曲線

4 五陽煤礦應(yīng)用情況

該通風(fēng)控制系統(tǒng)已經(jīng)在五陽煤礦穩(wěn)定運(yùn)行約1年的時(shí)間，根據(jù)應(yīng)用情況，目前已經(jīng)取消了5 個(gè)井下通風(fēng)巡查員，同時(shí)井下未再出現(xiàn)過因瓦斯、粉塵濃度超標(biāo)而導(dǎo)致的生產(chǎn)事故。通過柔性調(diào)節(jié)模式，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)系統(tǒng)耗電量降低14.6%，通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行故障率降低82.1%。目前該項(xiàng)目已經(jīng)作為集團(tuán)標(biāo)桿項(xiàng)目在向兄弟單位推廣，獲得了極好的應(yīng)用效果。五陽煤礦通風(fēng)控制系統(tǒng)監(jiān)測界面如圖4。

圖4 通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測界面示意圖

5 結(jié)論

針對五陽煤礦通風(fēng)系統(tǒng)分散度高、無法進(jìn)行集中監(jiān)測控制、人工巡檢工作量大、效率低、可靠性差的現(xiàn)狀，提出了一種新的礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，采用了集中控制、柔性調(diào)節(jié)模式、故障自查的控制模式。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)提升了五陽煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)自動化程度，實(shí)現(xiàn)減員5 人，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)耗電量和運(yùn)行故障率大幅度降低，極大地提升了礦井的通風(fēng)安全性。