李團結 ，黃維明 ，潘偉華 ，黨利鵬 ，諸德云 ，郭文芳 ，李 博

（1.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司, 陜西 延安 716000；2.西安重裝韓城煤礦機械有限公司, 陜西 韓城 715400）

0 引 言

局部通風機需執(zhí)行每天切換主、備通風機的操作。高瓦斯礦井切換通風機的過程中會出現(xiàn)短暫停風，容易引發(fā)瓦斯超限甚至瓦斯爆炸事故。與此同時，巷道在掘進過程中需要固定風量供風，風筒延長會導致漏風量增加，需要操作人員不斷調節(jié)變頻器運行頻率，把風量調節(jié)到要求值，這種工作方法效率比較低下。因此，增加電動風門配合通風機自動切換實現(xiàn)不停風切換尤為必要。

在局部通風機的控制方面，目前國內常用的局部通風機風量自動調節(jié)方式主要有進口導向器調節(jié)法和變頻調速調節(jié)法，其中變頻調速調節(jié)憑借其智能化和經濟性方面的優(yōu)勢成為局部通風機風量智能控制的熱門發(fā)展方向[1-3]。在該領域，姚昕等[4]以對旋軸流式局部通風機為對象，研究和設計了基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）的礦井局部通風機變頻調速技術下的瓦斯?jié)舛戎悄芸刂葡到y(tǒng)；吳銀成[5]設計一種采用XMC4500 的低成本局部通風機用雙電源雙變頻調速器設計方案；張峰[6]對局部通風機控制系統(tǒng)現(xiàn)狀進行分析，并對PLC 變頻調速系統(tǒng)在煤礦通風機中的應用優(yōu)勢和井下局部通風機瓦斯?jié)舛茸詣诱{節(jié)控制技術方案進行詳細探究；董甲武等[7]設計了一套能夠實現(xiàn)局部通風機遠程監(jiān)測監(jiān)控的系統(tǒng)；孫會民等[8]研制了一種雙通風機自動切換控制器，該控制器具有對雙通風機或雙旋通風機自動倒臺和監(jiān)測功能；陳東科等[9]研制了一種KJD11 型局部通風機自動切換監(jiān)控器。

雖然目前對局部通風機的智能控制及運行監(jiān)測等方面研究較多，但對于局部通風恒定風量條件下局部通風機智能切換方面研究較少。針對以上現(xiàn)狀，分析了局部通風機恒定風量切換原理，在礦用局部通風機PLC 變頻調速控制的基礎上，引入了比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，簡稱PID）控制系統(tǒng)，測試分析了通風機在運行及切換過程中的風量平穩(wěn)工況；設計并研發(fā)了一種礦用局部通風機智能遠程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中安裝了多種監(jiān)控傳感器（溫度、風壓、風速、振動、噪聲等），實時監(jiān)測通風機運行過程中的參數(shù)變化，實現(xiàn)了通風機切換過程中風量恒定和通風機運行參數(shù)的遠程、實時地監(jiān)控。研究結果能夠高效保障巷道通風機切換過程中供給風量的穩(wěn)定性，促進局部通風機的高效、節(jié)能及安全運行。

1 恒定風量切換原理

1.1 工作面風量計算

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》按照瓦斯涌出量計算采煤面的需風量，計算公式（1）如下[10]：

式中：Qc為采煤工作面的需風量，m3/min；qws為采煤工作面的絕對瓦斯涌出量，m3/min；Kc為采煤工作面的瓦斯涌出不均衡系數(shù)，其為工作面瓦斯絕對涌出量的最大值和平均值之比。

按工作人員數(shù)量驗算計算時，計算公式如下：

式中：N為掘進工作面同時工作的最多人數(shù)；K為備用系數(shù)。

根據(jù)工作面最大和最小風速要求，風量Qc須滿足：

式中：Vmin為掘進工作面的最低風速，m/s；Vmax為掘進工作面的最高風速，m/s；S為掘進工作面巷道的凈斷面積，m2。

對于局部通風機而言，考慮風筒漏風影響，通風機出口風量Qf滿足：

式中：Qf為通風機出口風量，m3/s；D為風筒直徑，m；P為漏風系數(shù)；Vc為風筒出口風速，m/s；k為修正系數(shù)。

當通風機運行穩(wěn)定時，通風機的風壓、風量、功率和轉速有以下比例關系[11]：

式中：n1、n2為通風機調節(jié)前后的轉速，r/min；Q1、Q2為通風機轉速調節(jié)前后的風量，m3/s；P1、P2為通風機轉速調節(jié)前后的風壓，Pa；Pxh1、Pxh2為通風機轉速調節(jié)前后的功率，W。

根據(jù)最大用風量將局部通風機選定后，在工作面不同掘進階段遠程設定通風機的供風量，自動調節(jié)當前出口風量。實現(xiàn)了節(jié)能運轉，同時避免不斷更換大功率局部通風機的麻煩，提高工作效率。

1.2 風量調節(jié)基本原理

1）瓦斯涌出反饋調節(jié)。礦井采掘工作面及其他作業(yè)點風流中，瓦斯體積分數(shù)達到1.5%時，必須停止工作，切斷電源撤出人員，立即進行排瓦斯[12-16]。瓦斯的涌出隨機并不可預測，因此需要預設瓦斯?jié)舛萈ID 控制參考值，使用PID 控制方法得到通風機所需設定頻率。PID 控制器由比例單元、積分單元和微分單元組成。PID 控制的基礎是比例控制。積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調。微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應速度以及減弱超調趨勢。由于煤礦實際生產的需要，工作面需風量在一定范圍區(qū)間，如果PID 計算的通風機頻率在實際工作面需風量區(qū)間內則直接輸出給通風機變頻器；如果低于實際工作面需風量區(qū)間的最小值則輸出最小值；如果高于實際工作面需風量區(qū)間的最大值則輸出最大值，使掘進工作面瓦斯?jié)舛冉档揭?guī)定安全標準。風量調節(jié)原理如圖1 所示。

圖1 瓦斯?jié)舛确答佌{節(jié)原理Fig.1 Principle of gas concentration feedback regulation

2）風筒漏風調節(jié)。通過安裝在通風機出風口的風速傳感器監(jiān)測通風機出口風量，在生產前期實際測量得到風筒的百米漏風率，用戶每天交接班輸入總掘進長度，自動控制軟件控制通風機變頻器使通風機實際出口風量=工作面需風量+通風機實際出口風量×百米漏風率×(總掘進長度/100)。百米漏風率可根據(jù)公式（8）測得。

式中：Q500為500 m 處風筒風量；Qf為通風機出口風量；Q0為風筒進風處風量，m3/s。

3）通風機切換恒定風量調節(jié)。局部通風機需執(zhí)行每天切換主備通風機的操作，針對高瓦斯礦井，切換通風機的過程中會出現(xiàn)短暫停風可能引發(fā)瓦斯超限，因此增加電動風門配合通風機自動切換實現(xiàn)不停風切換通風機尤為必要[17-20]。主副通風機切換過程為先啟動原靜止通風機，同時原運行通風機按固定步幅降頻一次，原靜止通風機按固定步幅升頻一次，固定步幅為原通風機運行頻率與預設切換中脈動次數(shù)的比值，同時按固定開度調節(jié)步幅調節(jié)一次（固定開度調節(jié)步幅=100 預設切換中脈動次數(shù)-1），打開原靜止通風機風門關閉原運行通風機風門。每一次風門和變頻器頻率調節(jié)后如果發(fā)現(xiàn)超調情況不需要對風門進行反向控制，系統(tǒng)自動對兩臺通風機轉速進行固定步幅調節(jié)。若風量偏大則原運行通風機降頻，若風量偏小則原靜止通風機升頻，進行快速風量修正，修正完成后就進行下一個調節(jié)控制過程。整個調節(jié)過程中逐步減小原運行通風機風門開度加大原靜止通風機風門開度，逐步減小原運行通風機運行頻率加大原靜止通風機運行頻率，直到最后原靜止通風機風門全開（同時升頻到所需頻率），原運行通風機風門全關（同時降頻到0 頻率），停止原運行通風機。在主副通風機切換過程中影響風量變化的是預設切換中脈動次數(shù)，脈動次數(shù)越大，則切換過程中風量越穩(wěn)定，切換過程越長；脈動次數(shù)越小，則切換過程中風量變化越大，切換過程越短。

風量恒定調節(jié)系統(tǒng)主要由礦用雙電源變頻調速裝置、局部通風機、電動蝶閥、雙電源切換開關、傳感（變送）器、通信裝置組成。目的是為了使局部通風機切換過程中保持風量恒定不變，同時杜絕了切換過程風量過大對風筒造成的機械沖擊，電動風門和通風機運行頻率跟隨輸出風量變化而變化，從而降低切換過程中風量不夠的問題。通風機切換恒定風量調節(jié)原理如圖2 所示。由通風機的運行特性（式(5)）可知，風量與電動機轉速在一定時間段內成正比關系，風量調節(jié)閉環(huán)控制中，采用實時平均風量作為反饋量進行風量調節(jié)。控制原理圖如圖3 所示。

圖2 風機切換恒定風量調節(jié)原理Fig.2 Principle diagram of fan switching constant air volume regulation

圖3 風量反饋調節(jié)原理Fig.3 Schematic diagram of air volume feedback regulation

圖3 中參數(shù)KP、KI、KD分別表示模糊PID 控制的三個參數(shù)，分別為比例參數(shù)、微分參數(shù)和積分參數(shù)；e和Δe分別表示誤差和誤差率。

通過給定工作面所需風量Q1減去測量平均風量Q2得到誤差e,誤差率e為

進一步地，PID 控制器和模糊控制器進行誤差分析，模糊控制器根據(jù)模糊推理取得PID 運算所需參數(shù)。然后PID 控制器輸出量u，控制變頻器輸出相應頻率，得到相應風量。模糊控制PID 控制器通過PLC 編程來實現(xiàn)，控制算法如式（10）所示[10]:

式中：u(Q2)為控制輸出量；e(Q2)為誤差值；Kp為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)；ε(t)為初始風量。

2 恒定風量智能控制系統(tǒng)

1）系統(tǒng)框架。礦用局部通風機智能遠程控制系統(tǒng)由ZFJ1140 局部通風機智能監(jiān)控裝置、礦用雙通風機雙電源組合變頻器、低噪聲局部通風機三大部分組成。ZFJ1140 煤礦局部通風機智能監(jiān)控裝置包含地面PC 機、礦用隔爆型可編程控制箱、電動蝶閥、雙電源切換開關、多種監(jiān)測監(jiān)控傳感器（涵蓋溫度、風壓、風速、振動、噪聲）。系統(tǒng)原理如圖4 所示。ZFJ1140 局部通風機智能監(jiān)控裝置中選用ABB PM564-ETH 型PLC，它具有緊湊的設計良好的拓展性、高可靠性、強大的通訊功能，可滿足小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。還搭載了工業(yè)交換機方便其他設備的接入，并配備了大容量不間斷電源，用于電源故障后能夠持續(xù)維持控制箱正常工作。

圖4 礦用局部通風機智能遠程控制系統(tǒng)Fig.4 Intelligent remote control system of local mine fan

2）硬件開發(fā)。低噪聲局部通風機則采用長環(huán)形消聲集流器結構。在相同風量下，進氣壓力損失小，因此采用長環(huán)形消聲集流器以達到降噪效果最好，流動風量損失最小的目的。通風機結構如圖5所示。

圖5 低噪聲局部通風機設計和實物Fig.5 Low-noise local ventilator design and physical drawing

3）軟件開發(fā)。選用WinCC 組態(tài)軟件設計礦用局部通風機在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對局部通風機的運行實時監(jiān)控，設備運行電流、電壓、風量、瓦斯?jié)舛?、電機震動、溫度等關鍵參量進行實時監(jiān)測，軟件操作如圖6 所示。①局部通風機配電點總覽界面。通過界面可對10 個配電點運行情況進行瀏覽，實時查看運行狀態(tài)，電壓、電流、風量、通訊狀態(tài)等主要參數(shù)。②主控界面。通過此界面可實現(xiàn)局部通風機配電點電力監(jiān)控以及局部通風機切換等操作，可具體查看設備運行電流、電壓、通訊狀態(tài)、瓦斯等氣體濃度、風量、噪聲、累計運行時間、單次運行時間。③報警查詢。根據(jù)報警重要程度為報警、警告、故障3 類，分別設置不同的顏色，告警到達和離開分別使用不同的顏色表示，對告警持續(xù)時間自動進行統(tǒng)計。除了告警和狀態(tài)，操作記錄也會被記錄。④Web 瀏覽器?？稍趦染W(wǎng)其他電腦上通過IE 瀏覽器打開相應網(wǎng)頁訪問該系統(tǒng)，查看所有局部通風機實時運行情況、參數(shù)設置、實時告警和歷史告警。

圖6 系統(tǒng)軟件操作界面Fig.6 Operating interface of system software

3 性能測試

為得出通風機實際運行效率，在保證通入通風機風量不變的條件下，分別在通風機風筒上進氣處、側進氣處，通風機集流器進氣通道、出氣通道4 個地方安設多個測試點（圖7），進行局部通風機空氣動力性能測試。

圖7 測試位置示意Fig.7 Schematic of the test location

1）風筒上進氣處空氣動力性能測試。在通風機風筒上進氣處管道內文丘里噴管間隔相同距離安設10 個測試點（圖8），記錄不同測試點截面的風壓和風流容積流量，測試數(shù)據(jù)如圖9 所示。隨著測試點變化，風筒管徑逐漸減小，風筒截面處的容積流量相應減小，通風機壓力相應增大，測試點1 處風流容積流量最大，容積流量值為1 048 m3/min；測試點10 處風流容積流量最小，容積流量值為846.22 m3/min。

圖8 文丘里管測點布置Fig.8 Schematic of test points in Venturi pipe

圖9 上進氣各測試點處測量風壓變化Fig.9 Variation diagram of measured pressure change

由于風筒筒壁并不是絕對光滑的，風流沿風筒流動會存在摩擦阻力和局部阻力。考慮風筒漏風等因素的影響，不同測試點測出的測試壓力和計算壓力會存在偏差，實際偏差情況如圖10 所示。隨著測試點1～10 測量風壓不斷變化，風壓測量誤差很小，基本維持在3.0%～3.5%，說明試驗數(shù)據(jù)精度基本滿足要求。由圖10 可知，伴隨著測試點增加，通風機全壓效率在80%～85%內波動。

圖10 上進氣各測試點風機全壓效率變化Fig.10 Variation diagram of fan total pressure

2）風筒側進氣處空氣動力性能測試。在通風機風筒側進氣處管道內文丘里噴管間隔相同距離安設12 個測試點，測試數(shù)據(jù)如圖11 所示。與通風機風筒上進氣口規(guī)律相似，隨著測試點的增大，風筒管徑逐漸減小，風筒截面處的風量也相應減小，測量風壓相應增大，測量風壓與標準風壓誤差很小，基本維持在3%左右。由圖12 所示，伴隨著測試點增加，通風機全壓效率在82.5%～85.0%內不斷波動，測試點4 和7 通風機全壓效率值處于波峰位置，其值達至85%，說明測試點4 和7 處通風機全壓效率最能滿足要求。

圖11 側進氣各測試點處測量風壓變化Fig.11 Variation diagram of measured pressure change

3）集流器進氣通道空氣動力性能測試。在通風機集流器進氣通道錐形進氣口處間隔相同距離安設15 個測試點，記錄不同測試點截面的風壓及風流容積流量，測試數(shù)據(jù)如圖13 所示。隨著測試點增大，容積流量不斷降低，測試點1 處容積流量最大，為1 058.32 m3/min，其與測試點10 處差值達到272.12 m3/min。

圖13 集流器進氣通道各測試點風壓Fig.13 Variation diagram of measured pressure change

隨著測試點不斷增加，測量風壓與標準風壓變化趨勢一致，其誤差值逐漸增大，但風壓誤差率很小，基本在3%上下波動。由圖14 可知，伴隨著測試點變化，通風機全壓效率呈波浪形波動，測試點2 和10 處，通風機全壓效率值最高，達到了85%。

圖14 集流器進氣通道各測試點全壓效率Fig.14 Variation diagram of fan total pressure

4）集流器出氣通道空氣動力性能測試。在通風機集流器出氣通道內ISO 文丘里噴管間隔相同距離安設11 個測試點，記錄不同測試點截面的風壓及風流容積流量變化，測試數(shù)據(jù)如圖15 所示。隨著點增加，容積流量不斷減小，測試點1 處容積流量為1 121.45 m3/min，測試點11 處風流容積流量為

圖15 集流器出氣通道各測試點風壓Fig.15 Variation diagram of measured pressure change

820.26 m3/min。

隨著測試點不斷增加，測量風壓與標準風壓，風壓誤差基本維持在區(qū)間3%～3.5%波動。由圖16 可知，伴隨著工況點增加，通風機全壓效率基本維持在區(qū)間82.5%～85%波動。

圖16 集流器出氣通道各測試點全壓效率Fig.16 Variation diagram of fan total pressure

4 現(xiàn)場應用

在通風機切換恒定風量自動控制現(xiàn)場應用前，需要對通風機進行恒定風量測試。先在控制系統(tǒng)的參數(shù)設置界面設定“預設切換中脈動次數(shù)”，然后在主控制界面選擇投入“不停風倒機功能”，再進行主通風機切副通風機和副通風機切主通風機，記錄切換過程中的風量最大值、切換完成時間。測試結果見表1。6 次實驗的“預設切換中脈動次數(shù)”設定從140 降到60 次，切換反應時間由260 s 左右降低到120 s 左右，風量變化由平均4.97%增加到12.98%，最后在切換時間和風量穩(wěn)定性上取折中點，即“預設切換中脈動次數(shù)”設為80 次時的效果最合適。

表1 智能局部通風機恒定風量切換測試Table 1 Test table for constant air volume switching of intelligent local ventilator

現(xiàn)場應用選擇在陜煤黃陵礦業(yè)集團一號煤礦1010 輔運巷道，掘進巷道全長2 781.6 m。ZFJ1140型（2×45 kW）局部通風機組安裝于北一進風巷，為掘進工作面通風用的局部通風機，為1010 輔運巷道提供新鮮風，如圖17 所示。通風機切換期間巷道風量變化如圖18 所示，圖中紅線是切換過程風量，包括切換前，切換開始，切換中，切換結束后的風量數(shù)據(jù)。為了能夠更直觀展現(xiàn)整個過程的風量變化規(guī)律，故提供了整個切換過程的風量，可以看出，風量整體變化控制在8.89%以內，實現(xiàn)了預定目標。并且，通過智能化變頻控制，剛開始掘進過程中風量需求不大，所以通風機可在低頻狀態(tài)下運行，可節(jié)省大量電費。同時，局部通風機的參數(shù)可在上位機遠程設置，遠程切換通風機，試驗防爆開關，減少了通風機操作人員。以一個礦井3 個局部通風機，每個局扇點3 個崗位工為例，可綜合節(jié)省電費和人工費用95 萬元以上。此外，意外停電、停風以后在地面集控室電腦集中快速恢復送電送風功能降低了瓦斯超限的可能性，保障了長距離巷道安全掘進。

圖17 1010 輔助運輸巷通風機安裝位置Fig.17 Installation position of No.1010 auxiliary duct fan

圖18 風機切換期間巷道風量變化Fig.18 Variation of air volume during fan switching

5 結 論

1）開發(fā)了一種礦用局部通風機智能遠程控制系統(tǒng)，通過在主、輔通風機風筒上增設電動風門，利用模糊PID 控制技術，實現(xiàn)風機運行頻率配合風門自動切換，保證風機運行以及切換過程中供風量平穩(wěn)；在運行系統(tǒng)中ZFJ1140 局部通風機智能監(jiān)控裝置，可實現(xiàn)實時遠程監(jiān)控風機各個參數(shù)（如電流、電壓、風量、瓦斯?jié)舛?、電機震動、溫度）等的運行狀態(tài)，保證風機平穩(wěn)、安全、高效運行。高效運行。

2）在通風機風筒上進氣處、側進氣處，通風機集流器進氣通道、出氣通道4 個地方開展了多個測試點進行通風機的空氣動力性能測試，得出通風機的空氣動力性能較好，通風機全壓效率在區(qū)間82.5%～80.0%內波動。

3）在陜煤黃陵礦業(yè)集團一號煤礦1010 輔運巷道應用表明，通風機切換期間巷道風量變化控制在8.89%以內，與傳統(tǒng)局部通風機相比，根據(jù)最大用風量將智能局部通風機選定后，在工作面初始掘進階段只需低頻運行通風機，實現(xiàn)了節(jié)能運轉；在工作面掘進距離加大后自動增加頻率穩(wěn)定風量；避免不斷更換大功率局部通風機的麻煩，提高了工作效率；智能局部通風機的恒定風量切換功能大減少了每天主副通風機切換過程中工作面瓦斯?jié)舛瘸瑯说娘L險；以上優(yōu)勢可以為煤礦安全生產節(jié)省大量的人力物力及財力。