陳小建

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為煤礦的核心裝備，主要用于向井下通入新鮮的空氣，保證井下巷道內(nèi)的空氣流通，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了井下綜采作業(yè)的安全性。多數(shù)礦井由于建立較早，因此礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)的控制相對(duì)落后，風(fēng)機(jī)只能以定轉(zhuǎn)速進(jìn)行通風(fēng)作業(yè)，而且風(fēng)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，只能依靠巡檢人員進(jìn)行定期巡檢和維護(hù)，保障礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的故障率高、能耗大、磨損嚴(yán)重，難以滿(mǎn)足風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的需求[1]。

1 礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)工作的核心是能夠根據(jù)煤礦井下的空氣情況來(lái)控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需求，同時(shí)系統(tǒng)還需要能夠自動(dòng)檢測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否正常，對(duì)異常信息進(jìn)行自動(dòng)定位和預(yù)警，提醒監(jiān)控人員及時(shí)檢查和維修，保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

結(jié)合礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行需求，本文所提出的礦井通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，將不同的模塊進(jìn)行集成，從而能夠根據(jù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行需求進(jìn)行拓展和改進(jìn)，該通風(fēng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 礦井通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，該自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括了信號(hào)采集模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、人機(jī)交互模塊及數(shù)據(jù)通信模塊四個(gè)部分[3]。信號(hào)采集模塊是該監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過(guò)在通風(fēng)機(jī)、電控柜、風(fēng)門(mén)、變頻器上設(shè)置各類(lèi)監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)系統(tǒng)中各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊主要用于對(duì)各類(lèi)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行模擬量和開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換，提高信號(hào)的飽和度，減少在傳播過(guò)程中的干擾和失真。人機(jī)交互模塊主要是顯示礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，便于監(jiān)控人員及時(shí)掌握各類(lèi)信息，提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)通信模塊主要用于保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性、可靠性、及時(shí)性。

2 通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制邏輯

為了滿(mǎn)足礦井通風(fēng)系統(tǒng)集中調(diào)整的控制邏輯，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行調(diào)控信息均通過(guò)人機(jī)交互模塊滿(mǎn)足運(yùn)行控制需求，首先通過(guò)設(shè)置在煤礦井下的各類(lèi)傳感器對(duì)井下粉塵濃度、瓦斯含量、風(fēng)量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定井下的通風(fēng)需求，然后由控制中心發(fā)出調(diào)節(jié)控制指令給變頻器，由變頻器輸出變頻控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率的控制[4]。

為了保證對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)控制的精確性，系統(tǒng)采用了閉環(huán)反饋+PID 控制邏輯[5]，當(dāng)風(fēng)機(jī)根據(jù)變頻器的信號(hào)調(diào)整后，控制中心再次調(diào)用井下的通風(fēng)狀態(tài)信息，對(duì)井下通風(fēng)情況進(jìn)行二次查詢(xún)，將通風(fēng)情況和理論調(diào)節(jié)需求進(jìn)行對(duì)比，獲取通風(fēng)狀態(tài)差值，然后再次發(fā)出修正信號(hào)，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，提高通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整的精確性。在對(duì)井下通風(fēng)狀態(tài)和調(diào)整量進(jìn)行分析時(shí)采用了PID 控制邏輯，能夠簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析流程，提高系統(tǒng)反應(yīng)的靈敏性和可靠性，該風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)整控制邏輯如圖2 所示[6]。

圖2 通風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)整控制邏輯示意圖

3 通風(fēng)機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，通風(fēng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的故障主要包括了電氣故障和機(jī)械故障兩個(gè)方面。電氣故障主要是指通風(fēng)系統(tǒng)各類(lèi)電壓、電流、變頻控制信號(hào)輸入或者輸出異常、信號(hào)中斷等，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)電氣故障的排查主要是利用傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)閾值法，對(duì)各類(lèi)電氣控制信號(hào)設(shè)置一定的閾值，系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)超出正常閾值范圍后系統(tǒng)就發(fā)出預(yù)警，并將故障特征和初步原因進(jìn)行顯示[7]。

通風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)械故障，主要是指風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中因機(jī)械磨損、軸承偏位等導(dǎo)致的運(yùn)行異常[8]，通過(guò)對(duì)不同情況下異常原因和表現(xiàn)的分析，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的機(jī)械故障均會(huì)表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)異常，因此可以在風(fēng)機(jī)上設(shè)置振動(dòng)傳感器，對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)異常振動(dòng)信息后系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警和振動(dòng)特征分析，初步確定振動(dòng)源和故障類(lèi)別，便于監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行快速故障排除，避免故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。不同故障特性下的風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻譜特性如圖3 所示[9]。

圖3 不同故障類(lèi)別下的振動(dòng)特性示意圖

4 井下應(yīng)用情況

以FBCDZ29/2×450 主通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，在優(yōu)化前，風(fēng)機(jī)為定轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式，由于長(zhǎng)期在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，因此風(fēng)機(jī)的能耗和磨損較大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)各類(lèi)故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)的平均故障數(shù)量達(dá)到了0.4 次/d，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的能耗也較高，難以滿(mǎn)足通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行需求。在利用礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改造后，風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的平均故障數(shù)量降低到了0.05 次/d，風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障數(shù)量降低了88.4%，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速由1 450 r/min 降低到了1 200 r/min，運(yùn)行時(shí)的能耗平均降低了17.2%，顯著地提升了礦井通風(fēng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性。礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面示意圖

5 結(jié)論

1）通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括了信號(hào)采集模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、人機(jī)交互模塊及數(shù)據(jù)通信模塊四個(gè)部分；

2）采用閉環(huán)反饋+PID 控制邏輯能夠簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析流程，提高系統(tǒng)反應(yīng)的靈敏性和可靠性；

3）通風(fēng)機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)電氣故障和機(jī)械故障的精確判斷；

4）新的礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)L(fēng)機(jī)運(yùn)行故障降低88.4%，將風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗降低17.2%，能夠有效提升礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。