煤礦變頻通風系統及軟硬件的選型設計

張敏敏

（晉城藍焰煤業股份有限公司鳳凰山礦通風區，山西 晉城 048000）

引言

通風系統號稱綜采工作面的“肺”，不僅為現場作業人員提供新鮮空氣，降低瓦斯濃度，減少瓦斯爆炸的風險，而且還能夠降低工作面的粉塵濃度，為作業人員提供舒適的工作環境。因此，煤礦通風系統對于保證工作面的安全生產，具有不可或缺的作用。實際應用中，為了保證工作面的安全生產，煤礦通風系統24 h運行，耗電量巨大，且當前通風控制系統還依靠傳統的人為調節擋板對通風量進行控制，不僅自動化程度低，而且電能損耗巨大[1]。因此，實現主通風系統的變頻調速控制對保證工作面安全生產和節能生產具有重要意義。

1 礦井主通風系統的構成

為結合當前工作面對通風量的控制需求和節能減排的生產要求，主通風系統主要由通風機和變頻調速控制系統組成。其中，通風機根據葉輪中氣體流動方向的不同可以分為離心式通風機、軸流式通風機和混流式通風機。目前，煤礦中常配置的通風機為軸流式通風機和離心式通風機。鑒于軸流式通風機具有通風效率高、噪音低以及節能效果好等優勢被廣泛應用[2]。鳳凰山礦所采用的通風機為對旋式軸流式通風機，其型號為FBCDZNo24/2×200，其參數如表1所示。

2 變頻通風系統的總體設計

為解決當前煤礦通風機自動化水平低、監測精度低以及監測參數不全面的問題，本文所設計礦井通風自動化控制系統將包括對通風機電機的控制、風門的控制、實現井上與井下通信并對通風機及現場的各項運行參數進行實時監測。而采用傳統DCS控制系統無法滿足上述所有功能要求，在當前以PLC控制器為主的自動化控制系統中必須用現場總線才能夠對通風系統的所有設備進行全面、合理的協調管理[2]。

表1 FBCDZNo24/2×200型對旋式軸流風機參數

簡單的說，煤礦通風機自動控制系統主要包括有上位機監控系統、通風機系統、現場傳感器監測系統等，其主要結構可通過如圖1所示的框圖表示。

圖1 通風機自動控制系統結構框圖

如圖1所示，通風機視頻監控系統通過云平臺對設備電機的工作狀態和風門的開啟、關閉狀態進行監視，從而保證用戶對設備的運行狀態進行實時監視。工業計算機系統用于對現場設備運行狀態的實時顯示，并為用戶提供實時查詢、記錄界面；高壓開關柜信息監測系統主要是對控制通風機電機啟停的相關電氣參數（過壓、過流、速斷、欠壓等）和對應的狀態參數（電機有功功率和無功功率等參數）監測；勵磁控制系統主要獲得相關控制指令對1號、2號通風機電機啟停進行控制；風門控制系統主要獲得相關指令對風門開口大小進行控制[3]。

根據煤礦自動控制系統的控制需求、監測需求需對通風機系統通風機實時通風量、風壓；通風機軸承溫度、電機溫度及其軸承溫度；通風路線上的風阻及靜壓值等參數進行監測。

3 變頻通風系統的硬件選型

3.1 控制器的選型

為實現主通風系統能夠根據工作面工況對通風量進行實時、自動、高效控制，當前以基于PLC的變頻調速控制系統為主，其核心裝置為變頻器和PLC控制器[4]。根據結構的不同，可將變頻器分為交-交變頻器和交-直-交變頻器。結合當前工程應用經驗，采用交-直-交變頻器，其基本結構如圖2所示。

圖2 變頻器基本結構框圖

結合通風系統對通風量控制的響應速度、控制精度和控制效率，鳳凰山礦主通風系統選用SJ700系列的變頻器。

PLC為當前工業中除了單片機應用較為廣泛的控制器，PLC選型的重要依據為自動控制系統的控制需求和控制精度。綜合分析通風機自動控制系統的所需監測的參數數量（數字量和模擬量的個數）、響應時間以及對通風機的控制準確性，綜合比較不同品牌PLC控制器的性能，最終確定選用西門子系列的S7-300PLC控制器。

根據主通風系統輸入/輸出點數和控制功能，鳳凰山礦主通風系統選用S7-300型PLC。PLC控制器將控制信號通過電流信號傳送至變頻器，由變頻器對通風機電動機的轉速進行控制，從而實現對通風機風量的調節，各個控制器對應的模塊分別如表2所示。

3.2 電路設計

為主通風系統配置兩回路高壓電源供電，分為高壓母線和低壓母線。主通風系統中涉及的四個通風機分別由四個變頻器對其進行控制，為保證變頻調速系統的可靠性，為每個變頻器配置一個工頻旁路柜，當某一個變頻器無法正常工作時，系統會自動切換至工頻旁路以保證系統的正常運行。

表2 PLC控制器及其模塊選型

3.2.1 高壓進線柜的組成

為實現主通風系統的集中監測和控制，同樣采用PLC控制系統對高壓柜進行控制，高壓控制柜主要為主通風機的運行提供保護，包括有過載保護、過壓保護和過電流保護以及對應的報警功能。本主通風系統高壓進線柜內所配置的關鍵設備型號如表3所示。

表3 高壓進線柜保護設備型號

3.2.2 低壓開關柜的組成

根據主通風系統的控制要求為其配置12臺低壓開關柜，每臺柜的類型及數量、編號如表4所示。

表4 低壓開關參數統計

配電饋線柜主要用于對主通風系統相配套的控制風門的絞車、加熱裝置和照明系統等；每臺低壓開關柜均配置有隔離開關、斷路裝置以及繼電器等，保證系統的安全運行。

4 變頻通風系統的軟件設計

在實際生產中工作面一般最少配置兩臺通風機，一臺為工作通風機，另一臺為備用通風機。當其中一臺通風機出現故障時，在相應控制程序的控制下另一臺通風機自動啟動。但是，上述控制思路往往會導致一臺通風機頻繁工作，而另一臺控制通風機的利用率卻不高。未解決工作面兩臺通風機工作時間不均衡的情況，設定相應程序控制通風機自動切換，從而提高每臺通風機的利用率[5]。針對上述問題，設計如圖3所示的控制流程圖。

5 結語

通風系統是保證綜采工作面瓦斯濃度、粉塵濃度等滿足《煤炭安全規程》相關標準要求的關鍵系統，其對煤礦安全生產的意義不言而喻。目前，針對煤礦主通風系統的主要問題是提升其自動化控制水平、控制效率和控制精度。為此，將基于PLC控制器和變頻器的調速系統應用于主通風系統中，實現對通風機風量的實時、高效、準確的調節；同時，為確保工作面兩臺通風機的平衡運行，采用輪流切換的控制思路。

圖3 通風機輪換工作控制流程圖