礦井主通風機自動化控制系統的研究

李健波

唐山開灤趙各莊礦業有限公司機電科，河北唐山 063101

0 引言

礦用通風系統是實現煤礦井上和井下空氣交換的重要設備，它負責向井下輸送新鮮空氣，排除有害、有毒氣體，調節礦井內風量、濕度和溫度，以確保礦井的安全生產[1]。另外通風機在工作時要求的電流和電壓較大，工作環境惡劣，在運行過程中出現事故的概率較高。在國內大多數煤礦采用人工管理，無法實現對煤礦實時監控、調度和管理，不利于煤礦通風系統安全穩定運行[2]。在煤礦通風系統中的自動化包括了對環境質量監測的自動化和對通風狀況的檢測兩個方面，在煤礦通風機控制系統中引入自動化控制技術，實現對煤礦通風，預防和減輕礦井事故，提高井下工作的安全系數具有非常重要的現實意義。

1 自動化控制技術原理

煤礦主通風機自動化控制系統主要由傳感器系統、通風系統和中央控制系統三大部分組成[3]。

傳感器系統包括風壓傳感器、風量傳感器、溫度傳感器、有毒氣體濃度傳感器、分量調節單元等傳感器組成，傳感器在信號傳輸的過程中可以采用時分制和頻分制兩種不同的方式。在煤礦上可以通過改變風門的角度來調節通風機的風量，風門開度的大小通過地面控制室來控制。通風系統還可以通過變頻器改變通風機電機的轉速來實現礦井內風速和風量的自動調節。在國外還可以通過通過傳感器對礦井內局部溫度或者氣體濃度的檢測來控制局部通風機的運轉。中央控制系統則是采用微型計算機完成對監控站的數據進行采集和整理，并根據礦井的需要動態控制通風量。計算機具有接口多，擴展能力強等一系列優點，在煤礦風機的自動化控制過程中具有反映速度快，控制精度高的特點。中央控制系統還負責對礦井內環境的監控和報警等功能，其具體的原理如下圖1 所示。

圖1 自動化控制系統原理圖

2 主通風機系統自動化控制的方式

在煤礦主通風機系統中為了提高其自動化的程度，往往將PLC 和變頻器結合實現對異步電機的變頻調速控制。通常情況下，PLC 采用開光指令、模擬量和RS-485 三種不同的方式實現對變頻器的調節[4]。

2.1 開關指令

該控制方式把繼電器節點與PLC 連接在一起，以獲取運行狀態。通過對變頻器的控制實現通風機電機的啟停控制和輸出頻率的改變。由于變頻器的輸出頻率是預先設定好的，僅為一些固定數值，故使用該控制方式不能實現異步電機的無極變速，只適用于不需要電機連續調速的場合。

2.2 模擬量控制

變頻器的輸入信號有數字量和模擬量兩種不同的類型，其中模擬信號通過A/D 模塊轉換后，輸出0V～10V 的電壓或者4mA～20mA 的電流。把信號輸入到變頻器模擬量輸入端，控制變頻器輸出電源頻率的方式成為模擬量控制方式。該控制方式中變頻器和PLC 間的距離不能太遠，不適于煤礦通風機控制系統的要求。

2.3 RS-485

PLC 通過RS-485 方式來控制變頻器是目前應用最為廣泛的控制方式，具有抗干擾能力強、傳輸速率高、傳輸距離遠等一系列優點。對于大多數變頻器都有RS-485 接口，可以通過通信的方式實現設備的啟動、停止、正反轉和調速，還可以實現對變頻器參數的修改。在煤礦通風系統通風機的控制系統中我們經常采用RS-485 的通信類型。

3 自動控制系統實現的功能和應用[5]

在煤礦通風機控制系統中自動化技術得到了非常廣泛的應用，主要體現在以下3 個方面[6]。

1）數據的實時監測。在自動化控制系統中需要用多個傳感器來檢測礦井中的參數，包括風機的運行狀況、風量的大小、風壓的高低等，其具體參數可以通過顯示屏顯示出來；

2）故障的檢測和排除。當通風機系統中通風機出現故障時，自動化控制系統要能夠發出相應指令關閉故障風機的電源，并且啟動備用風機或者增大其他風機的風量，實現對故障的處理。另外在風機系統運行的過程中，自動化控制系統還要能夠實現對風機運行參數的檢測，如果無故障則重新啟動風機；

3）故障的報警和診斷。在礦井通風機運行的過程中，自動控制系統出了控制風機的運轉，還要通過對風機參數的設置來設立報警條件，從而方便技術人員及時排查風機故障，避免安全事故的發生。同時自動化控制系統還要求其具有故障原因存儲功能，以方便日后安全分析使用[7]；

變頻調速是自動化控制中的一種，它通過改變電動機定子的供電頻率來實現風機的同步調速。隨著電力電子技術及現代控制理論的發展，變頻理論和技術的應用越來越成熟。在煤礦通風系統中變頻器主要用來實現通風機的軟啟動和無極平滑調速；減少通風機的啟動時間，限制通風機的啟動電流，保證電動機和通風機的使用壽命。在煤礦通風機系統中使用變頻器已經成為煤礦安全運行的重要保證，如今在很多煤礦上已經使用了變頻調速，舊的通風機控制系統也在進行逐步的改造，節約了大量的電能，延長了通風機的使用壽命名

4 結論

通風系統是礦井生產系統中的重要組成成分，其通風系統設計的優劣直接影響著礦井的抗災能力和經濟效益。將自動化技術應用到礦井主通風機通風系統的設計中，實現對煤礦井下溫度、適度以及有毒氣體的檢測，以及對通風機風量和風壓的控制，實現了通風機對風速的無極調節，大大節省了電能的消耗，保證了煤礦的安全生產。

[1]徐海.主通風機在線監測系統的設計與應用[J].礦山機械，2007(11)：38-40

[2]龐訓安.基于以太網的煤礦通風機自動化系統[J].計算機與現代化，2008(9).

[3]祝龍記.礦用變頻調速局部通風機的模糊控制理論[J].煤炭科學技術，2003(9).

[4]黃威，黃禹.變頻器的使用與節能改造[M].北京：化學工業出版社，2011

[5]高俊祥，高孝亮.自動化控制技術在煤礦通風系統中的應用[J].煤礦安全，2011-11.

[6]范天吉.煤礦通風綜合技術手冊[M].長春：吉林電子出版社，2003.

[7]王必旺.淮北楊莊礦主通風機性能在線檢測與通訊系統[J].煤礦機械，2006(11).