礦井主通風(fēng)控制系統(tǒng)的配置及功能實現(xiàn)

孫衛(wèi)鋒

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽城西河煤業(yè)有限公司， 山西 陽城 048106）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)號稱綜采工作面的“肺”，其主要作用是為工作面提供新鮮空氣，稀釋工作面的瓦斯?jié)舛龋⒐ぷ髅娴姆蹓m、煤塵等排出。在礦井開采末期需風(fēng)量較大，為保證工作面的生產(chǎn)需求其通風(fēng)能力一般均大于末期的需風(fēng)量。因此，需對工作面前期、中期通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整。傳統(tǒng)控制通風(fēng)系統(tǒng)的方式自動化程度低，不僅無法實時根據(jù)工作面需風(fēng)量對通風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整，而且還造成了電能的浪費[1]。因此，為提升當(dāng)前煤礦通風(fēng)控制系統(tǒng)的自動化程度和實時響應(yīng)特性，對變頻調(diào)速技術(shù)和PLC控制技術(shù)展開分析。

1 節(jié)能型通風(fēng)自動化控制系統(tǒng)原理分析

實現(xiàn)工作面通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能生產(chǎn)，并提升通風(fēng)系統(tǒng)的自動化水平的根本在于控制系統(tǒng)能夠根據(jù)工作面的實時需風(fēng)量和通風(fēng)機(jī)的實時通風(fēng)量對其通風(fēng)量進(jìn)行及時、精準(zhǔn)的控制。實現(xiàn)上述功能的主要技術(shù)基礎(chǔ)為變頻調(diào)速技術(shù)和PLC控制技術(shù)。本節(jié)對變頻調(diào)速和PLC控制的原理進(jìn)行分析。

1.1 變頻調(diào)速原理

變頻調(diào)速技術(shù)是通過對通風(fēng)機(jī)供電頻率進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而實現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)通風(fēng)量的調(diào)整，變頻調(diào)速原理如式（1）所示：

式中：n1為通風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；f1為通風(fēng)機(jī)供電頻率；p為通風(fēng)機(jī)電機(jī)的極對數(shù)。

目前，可應(yīng)用于變頻調(diào)速的方式包括有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速、恒功率調(diào)速等。通過變頻調(diào)速實現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速減少一倍時，對應(yīng)的通風(fēng)量也減少一倍，此時對應(yīng)的通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率減少1/4，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

變頻器為通風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)變頻調(diào)速的核心設(shè)備，為保證通風(fēng)設(shè)備變頻調(diào)速的功能需選擇適用于煤礦生產(chǎn)的變頻器。

1.2 PLC控制原理

PLC為當(dāng)前應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中最為廣泛的控制器，基于PLC控制器能夠?qū)ぷ髅骘L(fēng)壓、風(fēng)量以及溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與將上述參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行對比。若兩組數(shù)據(jù)存在偏差將基于相應(yīng)控制算法得出對應(yīng)的控制指令，從而實現(xiàn)對變頻器的控制，最終實現(xiàn)對通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)量的控制[2]。PLC控制原理如圖1所示。

圖1 PLC控制原理框圖

PLC選型時應(yīng)綜合分析控制系統(tǒng)任務(wù)和要求，通過對輸出/輸入點數(shù)的估算、存儲容量以及兼容性等要求完成對PLC控制器及其附屬元器件的選型。

當(dāng)前，PLC控制器可通過其輸出的開關(guān)量、模擬量或者RS-485通信方式實現(xiàn)對變頻器的控制。

2 通風(fēng)控制系統(tǒng)的配置

為實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能、自動化控制功能，需在傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上為其增設(shè)變頻調(diào)速系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)以及上位機(jī)系統(tǒng)等[3]。根據(jù)工作面的通風(fēng)需求，為其配置兩套獨立的通風(fēng)系統(tǒng)，且各個通風(fēng)系統(tǒng)之間能夠?qū)崿F(xiàn)相互通信。工作面通風(fēng)機(jī)布置情況如圖2所示。

圖2 工作面通風(fēng)布置示意圖

如圖2所示，工作面的兩臺通風(fēng)機(jī)采用一備一用的原則，且要求備用通風(fēng)系統(tǒng)能夠在主用通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生故障后10 min內(nèi)啟動。工作面采用通風(fēng)機(jī)為對旋式軸流通風(fēng)機(jī)，每臺通風(fēng)機(jī)配置兩臺電機(jī)，電機(jī)的額定功率為200 kW，額定電壓為390 V，額定轉(zhuǎn)速為1 470 r/min，通風(fēng)機(jī)葉輪的額定轉(zhuǎn)速為740 r/min。

2.1 PLC控制系統(tǒng)的配置

本礦井通風(fēng)系統(tǒng)所采用PLC控制器的型號為S7-300。基于PLC控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)軸承溫度、風(fēng)門位置等參數(shù)進(jìn)行控制。為實現(xiàn)變頻調(diào)速控制的功能，PLC控制系統(tǒng)與變頻調(diào)速控制系統(tǒng)之間基于MODBUS通信協(xié)議實現(xiàn)通信[4]。基于PLC控制器的選型結(jié)果，結(jié)合工作面工作環(huán)境特征，為其配置輔助元器件，如表1所示。

表1 PLC控制系統(tǒng)元器件選型

2.2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的配置

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)配置的主要任務(wù)是完成變頻器的選型。變頻器選型時需綜合考慮通風(fēng)機(jī)的額定電流、通風(fēng)機(jī)電機(jī)的額定電壓與變頻器的電壓等級相符以及通風(fēng)機(jī)的額定電流等[5]。綜合分析，最終選擇SJ700系列的變頻器，且具體型號為SJ700-3150HFE2，該型號變頻器的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

由于本通風(fēng)系統(tǒng)含有兩個通風(fēng)機(jī)，每臺通風(fēng)機(jī)設(shè)有兩臺電機(jī)，故為通風(fēng)系統(tǒng)配置四臺可獨立運(yùn)行的變頻器。

表2 SJ700-3150HFE2關(guān)鍵參數(shù)

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)的配置

監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)的核心為各類傳感器的選型，根據(jù)所監(jiān)測參數(shù)的類別選用如表3所示的傳感器類型。

表3 監(jiān)測系統(tǒng)配置

3 控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計或改造的目的在于提升控制系統(tǒng)自動化水平的同時達(dá)到節(jié)能減排的目的。因此，本控制系統(tǒng)核心功能包括有對工作面通風(fēng)機(jī)參數(shù)的監(jiān)測、PLC控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)以及變頻調(diào)速系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。除此之外，通風(fēng)系統(tǒng)還具備人機(jī)交互功能，為操作人員提供簡便的操作界面。

根據(jù)控制需求及任務(wù)，為通風(fēng)系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)設(shè)計如圖3所示的框圖。

圖3 通風(fēng)控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)

如圖3所示，PLC控制系統(tǒng)數(shù)字量和模擬量輸入模塊采集現(xiàn)場通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)信息，并將其與設(shè)定對比分析后，通過控制算法得出對應(yīng)的控制指令并通過數(shù)字量和模擬量輸出模塊將指令傳送至下位機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（變頻器）。與此同時，通過輸入模塊所得到的數(shù)據(jù)可通過以太網(wǎng)交換機(jī)上傳至工況機(jī)上，便于操作人員隨時查閱；而且基于人機(jī)交互界面還能夠?qū)νL(fēng)機(jī)的異常運(yùn)行情況進(jìn)行報警。

4 結(jié)論

1）將變頻調(diào)速控制與PLC控制技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于通風(fēng)系統(tǒng)的控制中，使得PLC控制器能夠?qū)崟r根據(jù)通風(fēng)機(jī)的實時運(yùn)行參數(shù)及工作面的需風(fēng)量對變頻器進(jìn)行控制，在提升通風(fēng)系統(tǒng)自動化水平的同時，達(dá)到節(jié)能的目的。

2）將PLC控制器通過MODBSU通信協(xié)議與變頻器、傳感器等器件進(jìn)行通信，將PLC控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通信，實現(xiàn)人機(jī)交互功能。