變頻均壓防滅火控制系統的設計

天地（常州）自動化股份有限公司 蔣德智

1.引言

在社會生活中，火災是威脅公共安全，危害人們生命財產的災害之一，是世界各國人民所面臨的一個共同的災難性問題。在煤礦生產中，火災也是一直困擾煤礦企業安全發展的一大難題[1]。在煤礦火災中，煤炭自燃占有較高的比重。自燃現象又稱內因火災，是指煤炭在溫度和氣體達到一定條件時，氧化速度加快造成的。煤炭自燃現象多發生在采空區，而采空區漏風現象是造成自燃的主要原因之一。

圖1 變頻均壓防滅火控制系統組成

均壓技術就是采用通風技術措施，調節漏風風路兩端的風壓差，使之減小或趨于零，使漏風量降至最小，從而抑制火災易發區內煤的自燃，抑制封閉火區的火勢發展，加速其熄滅。傳統的均壓措施一般有風窗均壓、輔扇均壓及風窗輔扇聯合均壓等方法。隨著煤礦企業自動化程度的提高和出于安全生產、減員增效原則的考慮，基于變頻技術的均壓防滅火方法是一種理想的煤礦通風措施。筆者提出了一種以PLC為核心，結合了變頻器、基于RS485總線的傳感器和礦用軸流對旋風機的變頻均壓防滅火控制系統的設計。

2.系統功能

控制功能：起動、停止、復位、變頻風機和直起風機切換、手動和自動控制切換、手動模式多段調速、運行狀態鎖定。

自動調風功能：根據通風巷道風速、壓差、一氧化碳濃度進行PID動態控制風機轉速，減小漏風量以實現采空區防滅火。

圖2 液晶屏主顯示界面

報警功能：一氧化碳超限、風壓超出上下限、變頻器故障時具有聲音報警和顯示報警功能，聲音報警采用真人語音，顯示報警包括指示燈矩陣和液晶屏顯示。

顯示功能：10.4寸液晶屏、數碼管、指示燈三種顯示方式。可顯示風機電壓、電流、頻率、風速、壓差、一氧化碳濃度、風速、風壓值和各種運行狀態。

參數設置功能：可根據現場巷道情況編輯各傳感器值的報警點、PID參數、控制策略和PID給定值等。

切換功能：當變頻器、本安操作臺故障或系統意外斷電時能夠實現備用工頻風機自動切換。

圖3 參數設置界面

3.系統組成及原理

變頻均壓防滅火控制系統由本安電源、傳感器、操作臺、變頻器組成。傳感器由兩臺本安不間斷電源提供的18V直流電壓供電，操作臺采用變頻器中控制變壓器提供的交流220V電壓供電，也可采用127V照明電源供電。所有傳感器均采用RS485總線Modbus協議輸出模式，經本安隔離后接入操作臺PLC主站。操作臺顯示屏、指示燈、數碼管顯示部分和變頻器均采用RS485總線方式接入PLC。傳感器與變頻器、顯示部分分別接入獨立的通信端口，變頻器啟停控制采用PLC數字量輸出端口，調速采用4-20mA電流環，保證測量的實時性和控制的可靠性。

系統包含兩臺風速傳感器、兩臺一氧化碳傳感器、一臺負壓傳感器。風速傳感器分別安裝在入風巷道和回風巷道風流穩定處，一氧化碳傳感器安裝在采空區火災易發點，當有燃燒現象發生時，必然伴有一氧化碳氣體的產生，因此，一氧化碳傳感器的測量結果可直接反應是否有著火現象發生。負壓傳感器可測量兩點之間氣體壓差，將其安裝在入風風門處，將兩個氣壓輸入口分別用橡膠管引至風門兩側，測量結果即反應了通風巷道送風點和風門內部氣壓差。

如圖1所示，操作臺作為系統的控制核心，完成人機交互功能，包括采集控制按鈕的輸入、通風巷道內各關鍵點的傳感器數值采集和顯示，液晶屏主界面顯示如圖2。左上方區域實時顯示系統運行開關量狀態，如變頻風機運行狀態、備用風機運行狀態、手動、自動狀態、各傳感器通信狀態、一氧化碳超限指示等。右上方區域為通風巷道入風風量值、回風風量值、壓差值、一氧化碳濃度值，左下方為巷道形狀，在對應的傳感器位置直觀地顯示出實際檢測結果。

PLC以傳感器采集的一氧化碳濃度、入風風速和回風風速值、入風風門兩側壓差作為PID控制器的輸入，進行運算得出變頻器的輸出頻率，實現動態平衡的風量控制。控制策略分為風量控制、風壓控制和一氧化碳濃度控制，三種控制策略分別以不同的巷道通風狀態作為控制輸入。三種控制策略中，一氧化碳控制策略具有較高的優先級，當通風巷道的一氧化碳達到一定值時，為將有害氣體盡快排出礦井，系統將自動進入全速通風狀態。

4.系統人機界面

操作臺提供了友好的人機界面，為現場不同的環境條件預留了豐富的參數設置接口，控制方式選擇接口。比如控制策略的選擇，通風巷道實際截面積、巷道一氧化碳濃度、壓差報警值設置等，參數設置界面如圖3所示。在參數設置界面中，可設置PID模塊的比例系數、微分時間常數、積分時間常數。在系統軟件設計完成時，可將參數按照預測的模型將各參數賦初值，初值固化在PLC的掉電數據存儲區。當預測模型與現場實際模型有差異時，系統將達不到預期的控制效果，因此，參數設置界面提供了現場整定的人機接口，使控制效果更加理想。由于系統采用風速傳感器，而為了達到控制采空區漏風量的目的，需要計算入風風量和回風風量，將二者的差值即漏風量作為控制算法的輸入，因此在參數設置界面中可設置入風、回風巷道的截面積，以使系統自動根據風速實時計算風量。同時系統具有風壓上限和下限報警功能，一氧化碳超限報警功能，因此，在此界面中可預先設置一氧化碳超限值、風壓上限和下限報警值。

5.結語

本系統經過現場應用，總結出以下幾點經驗：

（1）均壓通風時，要保持壓力變化相對穩定，嚴禁壓力忽大忽小，否則不僅達不到滅火的效果，反而可能導致火區發展更快。因此在進行軟件算法整定時，比例系數不能過大，積分時間不能過短。

（2）當井下發生火情時，一氧化碳一旦超限，應在保證均壓的前提下，加大送風量以盡快排出一氧化碳氣體，因此需要結合風窗和風門調節的均壓方法，以保證回采工作安全進行。

[1]秦緒元,劉世和.淺談煤礦防火的技術措施[J].科技資訊,2006,16:15.

[2]黃光磊.均壓通風在防止礦井漏風中的應用[J].中國煤炭,2011,S1:64-65.

[3]李登屹,曹文平等.均壓通風技術在上隅角瓦斯治理中的應用[J].煤礦安全,2012,6:111-113.

[4]游華聰.煤礦通風技術與安全管理[M].成都:西南交通大學出版社,2003.

[5]何波.煤礦通風系統安全問題及穩定性探討[J].煤礦安全,2012,5:134-136.

[6]鄒孝付,馬小平,等.煤礦通風系統的優化實現[J].工礦自動化,2012,3:61-62.