礦井通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

陳 晉

(山西西山煤電 馬蘭礦抽采區(qū)抽采隊，山西 古交 030205)

0 引言

通風(fēng)機的功能是調(diào)節(jié)井下空氣濕度和瓦斯?jié)舛龋瑢τ诿旱V的安全生產(chǎn)具有重要意義。為了滿足井下工況變化，需要對通風(fēng)機的風(fēng)量和風(fēng)壓進行調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的做法是在進氣管或排氣管中安裝風(fēng)門或節(jié)流閥，通過控制垂直風(fēng)門的高度調(diào)節(jié)通風(fēng)機性能，這種方法的優(yōu)點是控制簡單、可靠性高，故該方法得到了廣泛的應(yīng)用，但是其存在兩方面缺點:①通風(fēng)機的電機24 h運行在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，造成極大的電能浪費和電機軸承機械磨損；②這種方式為開環(huán)控制，對風(fēng)量和風(fēng)壓的控制效果不佳。為了改善通風(fēng)機的控制性能，在保障井下通風(fēng)充足的基礎(chǔ)上降低電能消耗，本文將分段PID控制理論和變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了礦井通風(fēng)機的在線監(jiān)測和風(fēng)壓風(fēng)量閉環(huán)控制。

1 風(fēng)機變頻控制

1.1 控制對象和控制方式

本系統(tǒng)的控制對象為兩臺對旋軸流式通風(fēng)機，一臺主用另一臺備用，型號為FBCDZ No18/2×110，配套的驅(qū)動電動機型號為YBF315L1-6，額定轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，額定風(fēng)量可達3 100 m3/min～4 800 m3/min，額定風(fēng)壓為260 Pa～3 200 Pa，額定功率為110 kW，質(zhì)量為11 000 kg。

變頻調(diào)速有4種控制方式,即轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和恒壓頻比控制。一方面由于通風(fēng)機在低速運行時負載轉(zhuǎn)矩小，電機在低頻運行時也能正常運行；另一方面盡量減少通風(fēng)機的電能損耗，因此采用恒壓頻比控制方式對風(fēng)機進行變頻控制。恒壓頻比控制方式又稱為V/F控制，這種控制的特點是電壓和頻率的比值為常數(shù)，轉(zhuǎn)子的磁通保持不變。V/F控制的缺點是動態(tài)性能和轉(zhuǎn)矩利用率低，存在系統(tǒng)時延導(dǎo)致的失穩(wěn)現(xiàn)象。圖1為通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)閉環(huán)控制示意圖，通過將給定參考風(fēng)量與風(fēng)量傳感器返回的實際風(fēng)量做差，得到風(fēng)量誤差，經(jīng)過PLC的PID控制算法調(diào)節(jié)，輸出變頻器控制信號，變頻器接收PLC控制信號后，按照控制目標(biāo)輸出指定幅值和頻率的電壓，風(fēng)機在此電壓驅(qū)動下完成轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

圖1 通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)閉環(huán)控制示意圖

1.2 分段PID控制

由相關(guān)文獻可知，異步電動機和變頻器均可等效為一階慣性環(huán)節(jié)。一階慣性環(huán)節(jié)的控制可采用PID算法進行控制，由于通風(fēng)系統(tǒng)的多個變量之間存在耦合和非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的PID控制算法對控制對象參數(shù)和建模準(zhǔn)確性要求較高，應(yīng)用于通風(fēng)機風(fēng)量控制時效果不佳，因此本文采用改進的分段PID風(fēng)量控制算法。

分段PID風(fēng)量控制算法的原理是：根據(jù)風(fēng)量誤差的大小調(diào)節(jié)PID控制器的控制力度，將風(fēng)量誤差劃分為三段：①將風(fēng)量誤差大的定義為強控制段，此時PID控制器控制力度最大；②將風(fēng)量誤差中等的定義為中等控制段，此時PID控制器控制力度中等；③將風(fēng)量誤差較小的定義為保持段，此時PID控制器控制力度最小。以上述分段PID控制算法為基礎(chǔ)，構(gòu)建出以誤差為橫軸、誤差變化率為縱軸的誤差相平面，將各分段控制模態(tài)表示出來，如圖2所示。圖2中，當(dāng)系統(tǒng)誤差處于二、四象限時控制器工作在保持模態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)誤差處于一、三象限時，控制器根據(jù)誤差大小分段調(diào)節(jié)，使誤差接近于0。

圖2 誤差相平面特征圖

2 硬件選型與設(shè)計

圖3為通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖，組態(tài)監(jiān)控是系統(tǒng)的管理層設(shè)備，其功能是實時監(jiān)視通風(fēng)機的運行狀態(tài)，向主控制柜發(fā)送遠程控制信號。主控制柜的光纖信號通過光纜連接到井面上的風(fēng)機房，風(fēng)機房內(nèi)的終端機將信號轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號，傳輸給上位機。觸摸屏和主控制器防爆控制柜是系統(tǒng)的控制層設(shè)備，觸摸屏可顯示各部位溫度、振動參數(shù)、通風(fēng)量和風(fēng)壓等。在自動運行模式下，主控制器防爆控制柜根據(jù)采集的通風(fēng)量和控制策略控制變頻器的電壓，進而改變風(fēng)機的運行狀態(tài)。

圖3 通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

2.1 變頻器

變頻器的選擇需要考慮應(yīng)用需求和安全性兩方面，本文選擇MicroMaster430型變頻器，這是一款專用于風(fēng)機和泵的標(biāo)準(zhǔn)變頻器，其內(nèi)部功能的互聯(lián)技術(shù)具有高度的靈活性和可靠性，控制軟件可實現(xiàn)多種運行方式的切換，在恒定轉(zhuǎn)矩控制方式下額定功率為120 W～200 kW，可變轉(zhuǎn)矩控制方式下額定功率為250 kW。

2.2 PLC

一般的控制系統(tǒng)具有4種信號即數(shù)字量輸入信號、數(shù)字量輸出信號、模擬量輸入信號和模擬量輸出信號。數(shù)字量輸入信號包括風(fēng)機運行方式的選擇、各風(fēng)機控制方式的選擇、風(fēng)門開關(guān)到位信號和變頻器故障信號；數(shù)字量輸出信號包括通風(fēng)狀態(tài)顯示信號、風(fēng)機的運行方式控制信號、急停指示、風(fēng)門開關(guān)信號和故障報警信號；模擬量輸入信號包括綜合電量參數(shù)、風(fēng)機差壓、風(fēng)機靜壓、軸溫繞組溫度、風(fēng)門開關(guān)信號和風(fēng)機振動參數(shù)；模擬量輸出信號指的是變頻器控制PWM信號。本系統(tǒng)所需數(shù)字量輸入通道21個，數(shù)字量輸出通道20個，模擬量輸入通道14個，模擬量輸出通道4個，此外系統(tǒng)還需要溫度巡檢儀、觸摸屏、電量傳感器和上位機的通訊端口4個。本系統(tǒng)選擇S7-200系列PLC，這款PLC具有1個EM222數(shù)字量輸出擴展模塊，1個CPU226CN模塊，1個CP243-1通訊模塊，4個EM235模擬量擴展模塊。總計共有24個數(shù)字量輸入通道，24個數(shù)字量輸出通道，16個模擬量輸入通道，4個模擬量輸出通道。

2.3 傳感器

從性能穩(wěn)定方面考慮，本系統(tǒng)選用熱電阻式溫度傳感器，型號選擇PT100鉑電阻。這款溫度傳感器可靠性高、耐振動，穩(wěn)定性好，溫度傳感器的輸出信號通過屏蔽線傳輸至多路溫度巡檢儀，然后由多路溫度巡檢儀通過串口RS485向PLC傳輸數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)需求，在3個位置配置了溫度傳感器，分別配置在風(fēng)機主軸承、電機軸承和電機三相繞組。本系統(tǒng)采用鉆孔測量靜壓法測量風(fēng)機的風(fēng)壓，MDM492是一款穩(wěn)定性高、精度高的風(fēng)壓傳感器，內(nèi)部集成了各類補償電路、信號增強、電壓電流轉(zhuǎn)換和各類保護。風(fēng)量監(jiān)測有熱電偶測量和超聲波測量兩種，考慮到煤礦環(huán)境溫濕度較大，容易影響熱電偶風(fēng)速傳感器的精度，因此采用卡曼渦節(jié)原理制成的超聲波測量法，各類傳感器選型見表1。

表1 各類傳感器選型表

3 監(jiān)控軟件

控制程序主要有主程序和各功能程序，主程序內(nèi)主要是一個上電延時和周期性循環(huán)程序，上電延時的作用是預(yù)防PLC還未完全啟動的情況下，由于程序運行導(dǎo)致的誤操作，根據(jù)實際經(jīng)驗設(shè)置延時6 s后進入周期性循環(huán)。在周期性循環(huán)內(nèi)并行調(diào)用各功能子程序，包括風(fēng)機運行控制子程序、反風(fēng)控制子程序、風(fēng)門控制子程序等。

風(fēng)機運行控制子程序是軟件設(shè)計的核心，程序流程如圖4所示。程序開始后首先進行模式判斷，如果運行在自動變頻模式，則依次調(diào)用初始化程序，對EM222模塊和EM235模塊進行自檢，自檢通過后調(diào)用分段PID控制算法，設(shè)定中斷時間后連接中斷程序，然后對變頻器的故障、過熱和振動進行排查，若以上故障均沒有發(fā)生則執(zhí)行風(fēng)機運行輸出控制指令，結(jié)束程序。若風(fēng)機運行在手動變頻模式則直接進入故障排查，若風(fēng)機不運行在手動變頻模式則進入工頻運行模式。

圖4 風(fēng)機運行控制子程序流程

4 結(jié)束語

本文將分段PID控制器應(yīng)用于通風(fēng)機風(fēng)量控制，基于PLC控制器和變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)了對礦井通風(fēng)機的監(jiān)視與控制。本系統(tǒng)可以在地面上位機中顯示風(fēng)機的故障狀態(tài)、負壓、流量、軸承溫度、軸承振動、定子溫度、電流、電壓、功率等工況信息，降低了通風(fēng)機故障停機的概率，減少了通風(fēng)機不必要的電能損耗，提高了煤礦通風(fēng)及系統(tǒng)的安全性和可靠性。