高瓦斯煤礦局部通風機智能變頻控制系統設計

曹建文

(1.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006； 2.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030006)

煤礦通風機用于將井下有毒有害氣體及煤塵排出井外，將瓦斯濃度稀釋至安全范圍，同時將足量的新鮮空氣送至井下，保證井下安全生產、改善工人勞動環境。常用的井下通風機有軸流式、離心式，其中主要用于掘進工作面的局部通風機流量小、風壓小，多采用軸流式交流異步電動機。傳統局部通風機面臨的核心問題是“一風吹”、“大馬拉小車”，運行效率最低僅為30%，一般運行效率為40%～60%，電能浪費現象嚴重[1-3].局部通風機調速系統采用變頻模式時的優點主要有：1)實現平滑調速、提高風機運行效率、節約電能。2)降低通風機啟動電流，減小對機械、電氣元器件的電流沖擊，延長元器件使用壽命。3)利用變頻器自身保護功能，提高局部通風機運行的安全性、穩定性。因此，研究運行于高瓦斯煤礦的局部通風機變頻控制系統意義重大。

1 原理分析

1.1 變頻調速基本原理

由電機拖動原理可知，交流異步電動機的轉速可表示為[4]：

(1)

式中，f1為電動機定子頻率，p為磁極對數，s為轉差率，ω1為角頻率。根據式(1)可知，通過改變電動機定子頻率可調節電動機轉速。但是單純改變f1時，會影響電動機的機械特性、轉差率，因此常用的變頻調速控制方式有3種：

1)恒磁通調壓調頻調速。

根據交流異步電動機感應電動勢、定子電壓、電磁轉矩與磁通等關系，得到：

Φ1=U1/Kf1

(2)

Te=CmΦ1I2cosφ

(3)

其中，Φ1為電動機每極磁通，U1為定子電壓，Te為電磁轉矩，Cm為電機轉矩系數，I2為轉子側電流折算至定子側后的電流有效值，cosφ為轉子電路U、W、V相的功率因數。根據式(2)以及式(3)可知，保持U1/f1不變，Φ1恒定，Te恒定，完成對交流異步電動機的調速。

2)恒功率調速。

調速過程時，保持f1與Te一定關系，使得異步電動機的功率P(P=Teω=Te·2πn)恒定，完成異步交流電動機的調速。

3)轉差率調速。

交流異步電動機穩態運行時，轉差率較小。調速過程中，保持定子電流不變，Φ1不變，則Te與ω1成近似正比關系，即調節角頻率ω1即可達到控制交流異步電動機電磁轉矩，進而完成調速過程。

1.2 礦井用風機性能分析

礦井用通風機性能曲線一般通過實驗方法進行繪制，采用二次、三次或者五次多項式進行擬合，一般二次多項式擬合曲線可滿足礦井通風需求，通風機性能的擬合多項式可表示為[5]：

P=AQ2+BQ+C

(4)

其中，P為通風機風壓，Pa；Q為通風機風量，m3/s；A、B、C為常數，可用最小二乘法求出。

2 方案設計

2.1 總體設計

高瓦斯煤礦局部通風機智能變頻控制系統總體設計方案框圖見圖1，由兩個ARM9微處理器組成冗余變頻控制系統1以及變頻控制系統2.每個變頻控制由調速控制器、模糊控制器兩部分組成，分別完成對局部通風機的變頻調速控制器和對瓦斯濃度、風壓的模糊PID控制，并將局部通風機運行數據上傳至監控平臺，實現實時、在線監控局部通風機。每個變頻控制系統需處理3個瓦斯濃度傳感器以及1個風壓傳感器數據，通過周期性采集瓦斯濃度傳感器數據值，分析當前時刻工作面的瓦斯濃度，并完成對局部通風機的變頻控制，控制風壓、風量，保證瓦斯濃度不超限，保障該工作面的安全生產。

圖1 高瓦斯煤礦局部通風機智能變頻系統總體設計方案框圖

2.2 硬件設計

高瓦斯煤礦局部通風機智能變頻控制系統硬件設計以微處理器為核心，選用西門子S7-1200X系列控制器，部分I/O地址分配見表1.

表1 控制器I/O地址分配表

瓦斯濃度傳感器選用KGJ16B型紅外瓦斯監測儀，測量范圍為0～4%，可輸出200～1 000 Hz頻率信號，也可輸出1～5 mA電流信號，響應時間小于20 s.T0以及T1瓦斯濃度傳感器布置于掘進工作面附近；T2瓦斯濃度傳感器布置于掘進工作面的新風流與瓦斯氣體均勻位置，且風量穩定[6-7]，T2監測工作面回風流瓦斯濃度變化。風壓傳感器選用CYB21型微差壓變送器，內置的高精度、高穩定性微壓力敏芯片具備溫度補償、線性補償、信號放大等功能，可精確測量巷道內的風微差壓。該風壓傳感器的量程為0～3 kPa，輸出為二線制4～20 mA電流信號，測量精度優于0.1%FS.T3風壓傳感器布置于風機管道直線部分，真實反應管網中的風壓變化，準確位置為距離通風機5倍風筒直徑位置。風壓、瓦斯濃度傳感器硬件連接電路見圖2.

圖2 傳感器硬件連接圖

2.3 軟件設計

高瓦斯煤礦局部通風機智能變頻控制系統軟件設計基于模塊化編程實現，根據系統功能將軟件系統分為主程序模塊、初始化子程序模塊0、模擬量檢測子程序模塊1、瓦斯濃度子程序模塊2、風壓子程序模塊3以及中斷子程序模塊4，主程序流程見圖3.

圖3 高瓦斯煤礦局部通風機智能變頻控制軟件系統主流程圖

子程序模塊0需完成瓦斯濃度采樣平均值的初始化、風壓采樣平均值的初始化、模擬輸出電壓以及工頻風量計算系數的初始化并置位瓦斯濃度極限值。子程序模塊1需檢查擴展的模擬量處理模塊是否有效連接且能夠正常工作；當連接有錯誤時需將錯誤標志位置位。子程序模塊2用于對瓦斯濃度傳感器1—3的數據進行處理；從模擬量處理模塊接收到瓦斯濃度傳感器有效數據后將其轉換為雙整數并存入變量VD200中；循環讀取瓦斯濃度傳感器采樣值，并求N1次采樣值的算術平均值，存入變量VW1.3個瓦斯濃度傳感器的N1次采樣算術平均值分別由變量VW1、VW2以及VW3存儲。子程序模塊3用于對風壓傳感器數據進行處理，將N2次風壓傳感器采樣值的算術平均值存入變量VW4后，根據風壓實際值與數字量的線性關系，將風壓VW4值轉換成風壓實際值；根據風機模擬輸入電壓與壓力(U-P)的理論擬合方程，計算變頻器的模擬輸入電壓值；根據風機工頻流量與風壓(Q-P)的理論擬合方程，計算風機工頻運行的流量值[8].中斷處理程序4用于處理子程序模塊2的瓦斯濃度值，分別判斷瓦斯濃度是否超過2%、1.5%以及1.1%，如果超限，則置位控制系統中的斷電標志位；如果沒有超限，則將滿足瓦斯濃度以及風量要求的電壓較大值存入寄存器VD600.將VD600中的模擬電壓值判斷是否滿足子程序3計算出的實際電壓值，如果滿足，則將其轉換成0～32 000的數字量并輸出給變頻器，用于對風機進行變頻調速控制。該中斷程序每500 ms運行一次，輸出用于控制變頻器的模擬電壓值，改變風機轉速，調節風量。

3 試驗分析

在實驗室對設計并實現的高瓦斯煤礦局部通風機智能變頻控制系統完成試驗分析，包括風量試驗、瓦斯濃度試驗兩部分。

1)風量試驗。

風量試驗的目的是驗證控制系統能否按照設定風量輸出模擬電壓值，并調節風機轉速以滿足井下風量要求。通過調節風門開度，調節管網阻力變化，利用壓力傳感器實時采集風壓信號并傳送至微控制器。同時用萬用表測量壓力傳感器輸出電壓、用轉速儀測量風機轉速并與理論值進行對比，形成表2.由表2可知，采用變頻控制模式后，變頻器運行頻率可根據風壓信號的變化進行調節并控制風機輸出不同的轉速，達到節能的目的。

表2 局部通風變頻控制系統風量試驗數據表

2)瓦斯濃度試驗。

瓦斯濃度試驗的目的是驗證控制系統將采集到的瓦斯濃度電壓信號與設定的瓦斯濃度限定值進行比較和邏輯判斷，控制變頻器輸出自適應頻率并實時調整風機轉速，使得瓦斯濃度達到安全標準值。試驗時，采用直流穩壓電源輸出電壓信號用于模擬瓦斯濃度值，傳送至微控制器。用萬用表測量微處理器輸出給變頻器的模擬電壓，同時用轉速儀測量風機轉速，形成表3.由表3可知，采用變頻控制模式后，風機實際轉速可根據巷道內瓦斯濃度值自適應變化，保證巷道內瓦斯濃度在安全范圍之內。

表3 局部通風變頻控制系統瓦斯濃度試驗數據表

4 結束語

對高瓦斯煤礦局部通風控制系統設計一種雙冗余變頻調速控制系統，基于變頻調速原理，輸入電壓與風量、風壓的關系，設計調速控制器和模糊控制器，根據井下瓦斯濃度和實際需風量對局部通風機進行變頻調速控制，杜絕“一風吹”、“大馬拉小車”現象，在提高局部通風機運行效率的同時，達到節能降耗的目的。