礦井主通風系統監控系統的設計

尚 鵬

（陽煤寺家莊有限責任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

礦井主通風系統在為工作面輸送新鮮的空氣的同時，將工作面瓦斯、煤塵等排除。隨著綜采工作面自動化生產程度的越來越高，對通風系統的自動化控制水平也提出了更高的要求[1]。目前，由于礦井通風系統對風量調節不及時及反應滯后等問題，導致給礦井工作面的安全生產帶來極大的安全隱患。因此，設計一款通風系統的監控，使其能夠實時監控工作面的瓦斯、粉塵等濃度，對風量進行實時控制。

1 礦井通風系統概述

工作面的通風系統包括有主通風系統、輔助通風系統以及局部通風系統。本文著重對礦井的主通風系統進行研究。一般的，主通風系統由主通風機、風門以及通風管道等組成。其中：主通風機一般設有兩臺，采取一用一備的工作模式；每臺通風機對應的有兩個風門，垂直和水平各一個；其中，垂直風門在系統的正常運行時關閉或開啟，水平風門主要用于對通風系統的維修使用[2]。通風管道為風量的管路，一般將壓力、風量以及溫度等傳感器安裝于通風管道內。

本文所研究主通風系統對應的通風機為對旋式軸流風機，該風機的結構如圖1所示。

對旋式軸流風機可采用壓入式、抽出式以及壓抽混合式三種工作方式。其中，以抽出式的工作方式居多。因此，本文所研究對旋式軸流風機的工作方式為抽出式。通風系統作為綜采工作面的大型綜合系統，其耗電量所占比較大。為達到節能的目的，采用變頻調速技術實現對通風機風量的控制。

2 主通風系統監控系統的總體設計

2.1 主通風系統監控系統總體設計要求

根據主通風系統在礦井的工作任務及要求，主通風系統監控系統應滿足如下要求：

1）為提升對主通風系統控制的多功能性，要求基于監控系統能夠實現對通風機的遠程控制、就地控制、手動控制和自動控制；

2）基于監控系統能夠實現對通風系統運行狀態參數的實時監控，并基于通信模塊實現數據的共享；

3）基于監控系統能夠通過控制通風機高壓開關、低壓開關、變頻器實現對通風機風量的控制；

4）基于監控系統的組態軟件設計的監控畫面能夠實時顯示通風系統的運行狀態，實現對主通風系統的報警、數據查詢等功能[3]。

圖1 對旋式軸流風機

2.2 主通風系統監控系統的總體方案設計

本文所設計的監控系統的主要功能是實現對主通風系統的在線監控和變頻控制。因此，該監控系統能夠根據工作面的風量需求的變化，實時控制變頻器，繼而實現對通風系統風量的控制?；凇耙挥靡粋洹钡墓ぷ髟瓌t，為通風系統配置兩臺通風機，且均為抽出式工作方式[4]。根據控制需求，設計如下頁圖2所示的主通風系統監控系統。

如圖2所示，主通風系統監控系統由現場監測層、核心控制層和監控管理層組成。其中，現場監測層通過風量、風壓、溫度等傳感器監測主通風系統的運行狀態。此外，現場監測層還包括有變頻調速控制的執行機構。核心控制層通過485總線和Modbus協議獲取所監測數據進行處理分析后得出對應的控制策略。監控管理層通過以太網獲取并實時顯示主通風系統的運行狀態，并對出現異常的情況進行報警。

圖2 主通風系統監控系統示意圖

3 監控系統的硬件設計

主通風系統監控系統的硬件設備主要包括有PLC控制系統、變頻調速系統以及對應通風系統運行參數監測設備的選型設計。

3.1 PLC控制系統的設計

PLC控制系統作為監控系統的核心系統，其功能是根據工作面對通風量的需求進行監測和主通風機風量的獲取，通過對二者數據進行對比分析后，得出相應的控制策略，從而實現對通風機風量的增大或減小的控制。PLC控制器為PLC控制系統的核心，其控制精度及響應特性直接決定控制策略的正確性和有效性。結合以往PLC選型經驗及產品現狀調研的基礎上，選擇PLC控制器的型號為S7-200系列，與該系列PLC配套的模塊如表1所示。

表1 S7-200系列PLC配套模塊

3.2 變頻器及監測設備的選型

變頻器為變頻調速控制系統的核心，針對通風機的變頻器的選型為ACS800-04P。針對主通風監控系統的監測要求及控制任務要求，對應的監測設備的選型結果如表2所示。

4 主通風系統監控系統的軟件設計

根據主通風系統的工作任務要求及監控系統的功能要求，主通風系統監控系統的軟件設計如圖3所示。

如圖3所示：監控系統為每臺通風機均配置了對應的變頻器，并以1號通風機為主通風機，2號通風機為備用通風機，當1號通風機運行出現故障時啟動2號通風機。通過對1號通風機運行參數的監測及工作面風量的需求控制1號變頻器的頻率，從而實現對1號通風機電機轉速及風量進行控制。

表2 監測設備選型結果

圖3 監控系統軟件設計流程圖

5 結語

通風系統為綜采工作面的呼吸系統，將工作面的瓦斯、粉塵等排除的同時，為工作面提供新鮮空氣，在保障作業人員人身安全的同時也為保證綜采工作面的采煤效率奠定了基礎。為進一步提升通風系統對風量調節的自動化程度，根據其控制任務需求將在線監測系統、變頻調速系統以及PLC控制系統相結合得到主通風系統的監控系統，能夠根據工作面風量的實時需求量和風機的實時運行狀態通過變頻調速技術實現對風機風量的實時控制。