通風機風量調節系統的設計與應用

尚 鵬

（陽煤寺家莊有限責任公司， 山西 昔陽 045000）

引言

煤礦綜采工作面的生產系統是由采煤機生產系統、刮板輸送機、帶式運輸機和提升機以及絞車組成的運輸系統，液壓支架、錨桿支護系統，通風系統以及液壓泵站系統等組成。只有各個分系統安全、穩定地運行才能夠確保綜采工作面煤炭的生產效率。通風系統作為礦井的呼吸系統，主要為綜采工作面提供新鮮的空氣，保證工作面瓦斯濃度、粉塵濃度等符合《煤炭安全規程》的相關要求。據統計表明，煤礦通風系統的耗電量占據煤礦總耗電量的25%左右，造成其耗電量大的主要原因為：通風機通風效率低，通風機長時間處于“大馬拉小車”的狀態運行[1]。因此，為降低通風系統的耗電量，需根據工況對通風量進行調節，以達到節能、提高通風效率的目的。

1 風量調節方案的確定

通風系統在設計計算中，為了保證其在應用中能夠滿足工作面的通風需求。一般情況下，通風系統的額定負壓為其實際負壓的110%，即余量10%，進而導致其在實際運行過程中出現“大馬拉小車”的情況。為此，需對通風機的風量進行調節。當前，可用于對通風機風量調節的方式包括有對其入口導流器進行調節，動葉調節和變頻調節等。

其中，針對入口導流器調節其本質是對通風網絡中的風阻進行調節。但是，此種調節方式所需時間過長，且調節過程相對復雜不適用于工作面。

動葉調節的核心是對通風機葉片的角度進行調整，由于葉片結構相對復雜采用此種方式實施難度較大，還會降低通風機的通風效率[2]。此外，對通風機葉片角度進行調整存在極大的安全隱患。

變頻調節是基于變頻器通過改變通風機電機頻率實現對電機轉速的調節，從而達到對通風量調節的目的。

綜上所述，將采用變頻調節的原理對通風機的風量進行調節。為了保證對風量調節的控制效果，將采用矢量控制的方式提高通風機電機的性能。變頻器工作原理如圖1 所示。

圖1 變頻器工作原理

2 風量調節控制系統的設計

基于Simulink 軟件建立通風機風量變頻調節控制模型，風量變頻調節模塊所采用的算法為SVPWM模塊。

2.1 風量調節系統的總體設計

1）散控制系統指的是采用分散控制，集中操作的方式。集散控制的核心為分散的控制系統基于現場傳感器等測量設備對數據進行采集，基于計算機技術對采集到的數據進行統一處理，從而實現對所監測參數的實時采集、處理和控制的目的[3]。

2）現場總線控制系統為將計算機控制技術和總線結合為一體的控制系統。與集散控制系統相比較，現場總線控制系統具有開放性、智能性和通信雙向性的優勢。但是，現場總線控制系統的通信方式為數字化通信，需將現場與該系統聯合應用。因此，現場總線控制系統的投入成本較高[4]。

3）工業以太網控制系統。工業以太網控制系統與集散控制系統和現場總線控制系統相比較具有通信速度高、兼容性好以投入成本低的優勢。而且，基于工業以太網控制系統能夠實現與外界互聯網的通信，從而實現資源共享。

綜上所述，采用工業以太網控制系統對通風機風量系統的控制，且選用的核心控制器為PLC，該控制系統包括有信息管理層、集散控制層和現場儀表設備層。

2.2 現場儀表設備層的設計

現場儀表設備層作為風量調節系統的最底層，其主要由各類傳感器、智能模塊以及相對應的執行機構組成。現場儀表設備層主要是對工作面的風量、負壓、溫度、變頻器運行等參數進行監測，還包括有數字量信號輸出和變頻器頻率給定的執行機構。

其中，設備層對軸承溫度、通風機振動參數和電機定子溫度的監測是確保系統安全穩定運行的基礎。本文著重研究對風量信息采集的分系統設計[5]。

風量信息的采集采用專門設計的取壓管、壓力變送器和鋁塑管等組成。取壓管由全壓管和背壓管組成。風量參數的采集通過獲取兩個取壓管的壓差，并通過式（1）換算得到風量。風量測量方法如圖2 所示。

圖2 風量測量方法示意圖

式中：Q 為風量；D 為通風機的外殼直徑；d 為通風電機的內殼直徑；k 為修正系數；ΔP 為兩個取壓管的壓差；ρ 為所監測氣體的密度。

2.3 集散控制層的設計

集散控制層包括有下位機PLC 站和上位機組態站。其中，下位機PLC 的主要功能是對風量、電機軸承溫度、通風機振動等參數進行采集，并對執行器進行邏輯控制。組態站是為風量調節系統提供人機交互的界面，基于人工交互界面可以實現對數據的顯示、控制指令的發布等功能。

PLC 為下位機PLC 站的控制核心。在結合PLC選型經驗和產品性能的基礎上，針對風量調節系統選用S7-300 系列PLC，其對應的CPU 型號為315-2PN/DP。上位組態主要是為用戶提供人機交互的界面，根據控制需求，設計如圖3 所示的上位機框圖。

圖3 上位組態軟件框圖

3 通風機風量調節系統的實現與仿真

為確保對通風機風量的控制精確性和實時性，采用神經網絡逆系統算法對其進行控制。將變頻調速系統和神經網絡逆系統相結合，得出相應的控制算法。此外，為上述相結合的控制算法增加了PI 控制器，得出的風量調節系統的傳遞函數如式（2）所示：

將上述調節系統的傳遞函數導入Simulink 軟件中，對所搭建的風量調節系統的性能進行仿真分析。設定當前礦井所需的實時風量為9 000 m3/min，基于實時風量通過換算得出該風量下對應通風機電機的運行頻率為28.2 Hz，并完成對仿真模型中變頻器的設置。風量調節系統的仿真結果如圖4 所示。

圖4 仿真結果

如圖4 所示，風量調節系統在獲取的工作面所需的實際風量后通過控制通風機電機的頻率實現對電機轉速的控制，對應的風量不斷增大。當風量達到9 000 m3/min時，由于此時電機的頻率大于28.2 Hz，其對應的風量依然會上升。當系統監測到風量大于9 000 m3/min 時，系統會抑制頻率的增加，對應的風量會下降；如此反復，將風量控制在9 000 m3/min，對應電機的頻率為28.2 Hz。

綜上所述，本文所設計風量調節系統具有響應速度快、振蕩小、超調量小的優勢，對于提升通風機的工作效率具有顯著效果，且能夠保證通風機在其所需工況下運行，從而達到節能的目的。

4 結語

通風系統作為礦井生產中的關鍵系統，其主要功能是為綜采工作面提供新鮮的空氣，保證工作面的安全生產和作業人員的身心健康。本文所設計的風量調節系統能夠對現場工作面的風量進行實時監測，并基于神經網絡和變頻調速控制理論對風量進行調節，從而解決通風機工作效率低，“大馬拉小車”的問題，對實現綜采工作面的節能生產和提升采煤效率具有實際意義。