礦井主要通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

魏守仁

（大同煤礦集團華盛萬杰煤業(yè)有限公司， 山西 河津 043300）

引言

在生產(chǎn)過程中，礦井主要通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)會受到很多因素的影響，這些影響因素都會給數(shù)據(jù)的采集帶來誤差[1]。其主要問題有：在冬天由于溫度的降低會造成管路的冰凍阻塞，這妨礙了在線監(jiān)控系統(tǒng)壓力信號的傳遞；引壓管路上的開孔位置出現(xiàn)偏差也會引起井下風(fēng)壓和風(fēng)量的變化，使數(shù)據(jù)不準確；同時變頻器產(chǎn)生的諧波會對電源有一定程度的影響，妨礙電源信號的傳遞以及準確性；同時由于某些地方螺栓未擰緊等，還會使信號中斷。因此，需要對礦井主要通風(fēng)在線監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 防凍設(shè)計

由于氣候原因，煤礦井下的溫濕度在各個季節(jié)會有所不同。在冬季時，由于地面溫度低，井下的溫度要比井上的溫度高，濕度也是如此。因此當(dāng)井下風(fēng)流從出風(fēng)井排到地表時，因為地表溫度比井下溫度低，所以風(fēng)流中的水蒸氣會發(fā)生液化，產(chǎn)生許多小液滴，當(dāng)?shù)乇頊囟鹊陀谒慕Y(jié)冰點0℃時，水蒸氣不會出現(xiàn)液化，而是直接凝固，開始結(jié)冰。在先前監(jiān)測風(fēng)壓時，通常是將測量風(fēng)壓的壓力傳感器放置在監(jiān)控室里，而由于測量風(fēng)壓的取樣點與監(jiān)控室存在一定距離，因此一般會在它們之間設(shè)置有一段引壓管，并和電纜一起鋪設(shè)在地溝里，由于這個地溝的存在，整段引壓管的位置并不是完全處于同一水平面上，它的中間位置比較低，而兩端比較高。當(dāng)含有較多水分的井下空氣被抽出時，一旦經(jīng)過該引壓管的中間位置，水蒸氣就會遇冷發(fā)生凍結(jié)，從而阻塞引壓管，使井下空氣無法抽出，監(jiān)控系統(tǒng)不能對風(fēng)壓進行測量[2-3]。

為了解決該問題，設(shè)計了一種風(fēng)壓接線盒，以防止引壓管發(fā)生阻塞，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該風(fēng)壓接線盒使用電信號進行傳輸，摒棄了使用壓力進行遠距離傳輸?shù)姆椒ǎ瑴p少了引壓管的輸送長度，使整段引壓管都處于同一水平面上，不會再出現(xiàn)中間低的情況，使風(fēng)壓信號可以穩(wěn)定地進行傳遞。即使在實際應(yīng)用中，由于其他原因?qū)е铝艘龎汗馨l(fā)生冰凍，也比較容易排查故障原因，并對故障采取解決措施。其風(fēng)壓接線盒的具體安裝位置和連接方式為：在安裝該接線盒時，應(yīng)在風(fēng)機外殼附近找一個方便位置進行安裝，可以將其懸掛，也可以直接固定在安裝點[4]。安裝好接線盒后，應(yīng)將引壓管的一端連接在接線盒的引壓管孔上，而另一端則連接在壓力傳感器上，此時壓力傳感器將電信號輸出到端子排，并通過電纜和集控室的機柜相連接。

圖1 接線盒機構(gòu)示意圖

接線盒很好地對引壓管進行了防凍設(shè)計，防止了引壓管的冰凍阻塞，同時該接線盒還起到了一個中轉(zhuǎn)站的作用，將各種信號連接到了控制柜上。這樣可以將多種輸送信號的電纜線進行集中管理，改善了由于采樣點較多，且分布復(fù)雜而造成的電纜線難管理的情況。而且一旦出現(xiàn)問題，也方便維修工人進行系統(tǒng)調(diào)試和故障檢查。

2 一鍵倒機設(shè)計

在井下通風(fēng)機以及配套的電機等出現(xiàn)問題的情況下，不應(yīng)該使井下風(fēng)機以及電機繼續(xù)工作，而應(yīng)該進行倒機操作，但是在倒機時，步驟較多且操作較難，同時必須遵守相關(guān)規(guī)定，按照一定的次序來操作，操作次序如圖2所示。

圖2 礦井主要通風(fēng)機倒機順序示意圖

圖2-1和圖2-2分別顯示的是軸流式風(fēng)機和離心式風(fēng)機的倒機順序。對于軸流式風(fēng)機倒機來說，正確的倒機順序應(yīng)該是，1號風(fēng)機先關(guān)閉，然后1號風(fēng)門再關(guān)閉，接下來2號風(fēng)機關(guān)閉，最后2號風(fēng)門關(guān)閉。一旦1號風(fēng)機與1號風(fēng)門的關(guān)閉順序顛倒時，整個井下通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力會瞬間增加，在短時間內(nèi)對軸流式風(fēng)機造成較大的影響，嚴重時會燒毀電機。而當(dāng)2號風(fēng)機與2號風(fēng)門的開啟順序也發(fā)生顛倒時，也會造成類似問題的出現(xiàn)。而對于離心式風(fēng)機來說，如果2號風(fēng)門先開啟，然后2號風(fēng)機再開啟，則會使風(fēng)機在啟動時的載荷過大，此時要想開啟電機，則需要較大的電流來進行啟動，而這會對電網(wǎng)造成極大的破壞。

由于以上操作程序的復(fù)雜性，一旦操作人員不熟悉該流程時，很容易就造成了操作程序混亂的情況，從而影響風(fēng)機和電機等設(shè)備的使用，因此有必要對這一操作進行簡化。故從實際應(yīng)用出發(fā)，編寫了“一鍵倒機”的程序。在操作時工作人員只需按一個按鈕即可，該程序就會自動執(zhí)行所有的操作步驟，并將操作的進度實時反映在操作界面上。

3 變頻器控制及濾波設(shè)計

3.1 變頻器節(jié)能原理

變頻器電機的轉(zhuǎn)速與電機的頻率和極對數(shù)有關(guān)，其對應(yīng)關(guān)系如公式（1）所示：

式中：n0為電機的轉(zhuǎn)速；f0為電流的頻率；而p為電機的極對數(shù)，由電機本身所決定的。

公式（2）和公式（3）則表示了風(fēng)機的比例關(guān)系，如下所示：

式中：Qvp、np以及Pvp分別表示原型的流量、轉(zhuǎn)速和功率；而Qvm、nm以及Pvm分別表示模型的流量、轉(zhuǎn)速和功率。

由以上公式可得，電機的流量與電流的頻率成正比例關(guān)系，而風(fēng)機損耗的功率則與電流的三次方成正比例關(guān)系，因此在井下風(fēng)量充足的情況下，對變頻器進行調(diào)節(jié)可以很好地節(jié)約能源。

3.2 變頻器控制設(shè)計

由于目前礦井主要通風(fēng)機在進行調(diào)速時都采用變頻系統(tǒng)進行調(diào)速，因此在原有的系統(tǒng)上，對變頻器增加了一個監(jiān)測與控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 變頻器監(jiān)控系統(tǒng)圖

在該監(jiān)測與控制系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)不同的功能，例如：變頻器的相關(guān)參數(shù)（電壓、電流、功率等）會實時顯示在控制界面上，便于工作人員對其進行監(jiān)測，而且相關(guān)數(shù)據(jù)會同時以曲線和表格兩種方式呈現(xiàn)，直觀明了，而且一旦一些重要參數(shù)值超過了正常值的范圍，該監(jiān)測與控制系統(tǒng)還可以進行報警，以便工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題。該監(jiān)控界面還可以進行一些遠程遙控，完成對變頻器的開關(guān)等動作，除此之外，該監(jiān)測與控制系統(tǒng)還可以保存一些重要參數(shù)，以便出現(xiàn)故障時，可以詳細地對故障原因進行分析，同時還可以對變頻器的工作狀態(tài)進行優(yōu)化改進。

3.3 抗干擾設(shè)計

變頻器在改變電機工作下的電源頻率時，輸入端是通過不連續(xù)的脈沖的方法來獲得能量的，這種電流會形成脈動壓降，使電網(wǎng)的電壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致在電網(wǎng)上工作的其他用電設(shè)備出現(xiàn)問題，影響其正常使用。而輸出端輸出的則是PWM矩形電壓波，這種電壓波的極性是不變的，而且寬度各不相同，因此這種電信號會在附近的空間內(nèi)發(fā)出強烈的電磁干擾，從而發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，影響其正常輸出。

為解決上述問題，可以在變頻器的入口與出口端安裝LC濾波電路；或者在整個變頻器系統(tǒng)中采用具有屏蔽功能的信號線，將動力系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的電源分開，避免相互干擾；或者采用抗干擾能力較強的監(jiān)控模塊，如泓格系統(tǒng)監(jiān)測模塊；或者采用復(fù)雜濾波算法對輸入輸出信號進行加工，以增強變頻器的抗干擾能力[5-6]。

4 結(jié)語

通過對礦井主要通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)進行上述改進，對于北方煤礦來說，很好地解決了冬季風(fēng)壓測量不準確、引壓管冰凍阻塞的問題，而且設(shè)計了“一鍵倒機”程序，簡化了操作步驟，同時在變頻器的調(diào)速系統(tǒng)中加入了監(jiān)測與控制系統(tǒng)，可以對變頻進行實時控制，隨時掌握變頻的動態(tài)。基于以上改進措施，礦井主要通風(fēng)機運行更加穩(wěn)定，礦井主要通風(fēng)機的在線監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實用性都得到了大大提高。