煤礦主通風系統的智能化控制

何小龍

（潞安集團余吾煤業有限責任公司， 山西 長治 046100）

引言

瓦斯是煤礦生產過程中不可避免的有害氣體，除此之外礦井煤塵、粉塵等也影響著礦井生產的安全性。針對工作面瓦斯問題可采取瓦斯抽放和通風設備來解決，其中通風系統主要通過為工作面提供新鮮空氣以降低工作面瓦斯濃度[1]。因此，為保證綜采工作面瓦斯濃度滿足《煤炭安全規程》的相關標準要求，需確保通風系統能夠實時根據工作面的情況對通風系統進行智能控制。

1 通風系統概述

通風機按照不同的分類標準可分為多種類型。其中，根據氣流方向可分為離心式通風機、軸流式通風機、斜流式通風機和橫流式通風機。根據壓力可將其分為低壓離心通風機、中壓離心通風機、高壓離心通風機和低壓軸流通風機、高壓軸流通風機。根據轉速大小可將其分為低比轉速通風機、中比轉速通風機和高比轉速通風機[2]。

在實際生產中通風系統一般采用“一用一備”的使用原則。對于一臺軸流式通風機而言包含有兩級葉輪，兩級葉輪的旋轉方向相同。通風機智能控制的基礎為能夠準確獲取通風機系統在工作面運行的實時參數，結合通風機的實時工作狀態和礦井工作面實時所需通風量對通風系統的風量進行調整控制[3-4]。

2 通風系統智能化控制的總體設計方案

2.1 通風系統監測參數

根據煤礦主通風系統的智能控制需求，需對通風系統的電機電流、電壓、軸承溫度以及工作面的實時風量、風壓和當前工作狀態下工作面所需風量的大小和對風壓的要求及瓦斯濃度進行監測。

一般情況下，對通風機風量的測量常采用風速傳感器完成，但是由于工作面的環境相對惡劣，導致傳感器測量精度不高。因此，本智能控制系統采用靜壓差法對風量進行監測。

針對工作面風壓的測量對其全壓和靜壓進行測量；實時掌握電機溫度，避免由于電機溫度過高導致電機軸承扭曲、損壞等故障；瓦斯濃度傳感器的測量是控制通風機風量的根本依據，為保證瓦斯濃度監測的準確性，在礦井的風口處安裝對應的傳感器。此外，還需通過位移傳感器對通風機電機的垂直和水平振動參數進行監測[5]。

2.2 智能監控系統的總體設計

智能監控系統包括有監測系統、通訊系統和控制系統兩部分。其中，監測系統通過各類傳感器及電子器件實現對各類參數的測量；通訊系統將傳感器獲取的參數數據基于以太網通信模塊上傳至上位機系統，并將所得出的控制指令下送至執行機構；控制系統通過上位機所得的控制指令對執行機構進行控制，其控制部件包括有通風機、電機以及配電柜等。智能監控系統的總體設計框圖如下頁圖1所示。

3 智能控制系統的設計

根據智能控制系統總體方案，本節將對通風系統智能化控制系統的下位機系統、上位機系統以及上位機與下位機的通信模塊進行設計。

3.1 智能控制系統下位機系統的設計

通風機智能控制系統下位機系統的設計主要指的是硬件設計，該智能控制系統中硬件主要包括有對監測數據進行處理的PLC控制器和完成對通風系統參數監測的各類傳感器等。因此，主要包括對PLC控制器的選型和傳感器的選型。

1）PLC控制器的選型。基于對各型號PLC控制器優劣性及應用環境分析的基礎上，擬采用西門子公司的S7-300PLC控制器，該系列PLC控制器具有較高的性價比、抗干擾性能、電磁兼容性好等優勢。并為S7-300PLC配置了對應的電源模塊、輸入輸出模塊以及CPU等。

圖1 通風機智能控制總體設計框圖

2）傳感器的選型。根據智能控制系統的任務需求，為其配置如表1所示的傳感器。其中，針對風量的監測采用靜壓法進行換算所得。上述傳感器的在工作面布置情況如圖2所示。

表1 智能控制系統傳感器配置表

3.2 智能控制系統上位機系統的設計

通風系統智能控制系統上位機系統的設計即為上位機軟件的設計。智能監控系統上位機最基礎的功能包括通風系統運行參數的存儲、顯示及故障報警等。根據智能控制系統的控制需求,通風智能控制系統上位機系統包括有系統管理、監測監控、數據查詢以及幫助等四項功能。上位機系統可對下位機傳感器等采集到的數據進行分析處理，結合當前通風系統的控制需求實現對通風機電機等執行機構的控制。

3.3 上位機與下位機的通訊模塊的設計

通風智能控制系統上位機與下位機的通信是通過以太網實現的，即基于以太網實現上位機與下位機之間的數據交換、通信、管理等功能。基于以太網與上位機之間的通信能夠實現上位機與PLC控制器的組態軟件實現對工作面通風機各項運行參數的實時監控。而且，根據控制需求將控制需求分為若干層，并根據各個層面的要求選擇最佳的網絡。

圖2 傳感器布置示意圖

4 結語

為實現綜采工作面通風系統的智能化控制，要求系統能夠根據工作面的實時瓦斯濃度和通風機系統的實時運行參數對通風系統的風量進行控制，以確保綜采工作面的瓦斯濃度在《煤炭安全規程》相關標準要求內要求。基于PLC控制器、各類傳感器及其上位機組態軟件設計一款通風系統的智能化控制系統，可為保證綜采工作面的安全生產奠定基礎。