礦用地面壓風(fēng)機(jī)無人值守系統(tǒng)的改造應(yīng)用探討

龐明杰

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司 挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司，山西 朔州 038399)

0 引 言

礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是保證井下安全作業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，郭莊煤礦現(xiàn)布置的壓風(fēng)機(jī)組在工作過程中常出現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)、中斷停機(jī)等現(xiàn)象，因此，需要設(shè)計(jì)新的壓風(fēng)機(jī)組智能化監(jiān)測(cè)方案，達(dá)到提高礦井開采效率以及保證煤礦安全生產(chǎn)的目標(biāo)。筆者重點(diǎn)通過對(duì)郭莊煤礦壓風(fēng)機(jī)組的測(cè)試裝置和采集系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，優(yōu)化了無人值守通風(fēng)系統(tǒng)的控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的全智能控制，提高地面通風(fēng)設(shè)備無人值守系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警靈敏性和智能調(diào)控可靠性[1-2]，保障礦井工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)提高礦井的開采作業(yè)效率。

1 智能化無人值守通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭莊煤礦通風(fēng)機(jī)組包括2臺(tái)空氣式壓風(fēng)機(jī)，該壓風(fēng)機(jī)自身集成控制單元，通過顯示面板實(shí)時(shí)觀測(cè)到壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，控制面板上集成壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)操控兩種模式，可實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟停等運(yùn)行功能，其中壓風(fēng)機(jī)的輔助設(shè)備未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，因此需要對(duì)整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，主要目標(biāo)是更換不具備自動(dòng)化監(jiān)測(cè)功能的元件設(shè)備，同時(shí)要求對(duì)智能化通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控預(yù)軟件優(yōu)化升級(jí)，形成系統(tǒng)化、整體式監(jiān)測(cè)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)在地面控制室遠(yuǎn)程調(diào)控監(jiān)測(cè)壓風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)共享通訊數(shù)據(jù)，預(yù)警提示。圖1所示為無人值守通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)原理圖。

圖1 無人值守通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)選用PLC控制系統(tǒng)為主控制，搭配各參數(shù)采集模塊和通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、風(fēng)機(jī)控制單元、變頻器等，采集模塊對(duì)應(yīng)不同類型的傳感器或者測(cè)試裝置，具體包括風(fēng)門控制裝置、風(fēng)量閥門、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及加速度傳感器，溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)壓風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)溫度，起到預(yù)警調(diào)溫的作用，壓力傳感器用于測(cè)試壓風(fēng)機(jī)送風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)壓值，實(shí)時(shí)向控制系統(tǒng)傳輸風(fēng)壓信號(hào)值，保證壓風(fēng)機(jī)持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，流量傳感器用于測(cè)試壓風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口以及管路的風(fēng)量大小，加速度傳感器用于監(jiān)控壓風(fēng)機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)，綜上，集合總成了壓風(fēng)機(jī)無人值守系統(tǒng)，通過各測(cè)試傳感器的信號(hào)監(jiān)測(cè)，同時(shí)與主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換傳輸可確保壓風(fēng)機(jī)壓風(fēng)特性穩(wěn)定，使通風(fēng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更高效穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，延長了空壓機(jī)的工作壽命，并且使工作能耗降至最小。

2 壓風(fēng)機(jī)智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓風(fēng)機(jī)無人值守智能化系統(tǒng)具有三種控制模式，包括自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、遠(yuǎn)程模式，PLC主控系統(tǒng)與工控機(jī)相連(如圖2)，內(nèi)置數(shù)據(jù)分析單元，可以依據(jù)采集單元傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行智能操控風(fēng)機(jī)狀態(tài)，如是否需要反風(fēng)，最終達(dá)到壓風(fēng)機(jī)無人值守遠(yuǎn)程巡視的效果，在地面就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓風(fēng)機(jī)及整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)裝置的監(jiān)控調(diào)整。

圖2 風(fēng)機(jī)智能化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 主控制功能設(shè)計(jì)

對(duì)于整個(gè)無人值守系統(tǒng)主控功能應(yīng)圍繞智能監(jiān)測(cè)和智能調(diào)控兩個(gè)方向進(jìn)行設(shè)計(jì)[3-4]，具體包括：可遠(yuǎn)程啟停壓風(fēng)機(jī)、主扇風(fēng)機(jī)以及輔助風(fēng)機(jī)；以風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間以及工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)判別后切換風(fēng)機(jī)和相對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)的模式；與整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息同步，可識(shí)別礦井的工況，當(dāng)識(shí)別到工作面出現(xiàn)事故，要求倒轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)快速啟動(dòng)，控制系統(tǒng)調(diào)控風(fēng)機(jī)的電磁風(fēng)門和執(zhí)行器，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換成反風(fēng)控制模式，并且依照位移傳感器的數(shù)據(jù)去判別風(fēng)門的開關(guān)情況，確保風(fēng)門的開關(guān)狀態(tài)，完全關(guān)閉、半開啟、完全開啟。

2.2 智能化控制系統(tǒng)

智能化控制系統(tǒng)的預(yù)警功能包含反風(fēng)定時(shí)、風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)機(jī)模式、以及風(fēng)機(jī)切換。如圖3所示。

圖3 無人值守系統(tǒng)壓風(fēng)機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)圖

智能控制系統(tǒng)對(duì)于壓風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制柜以及變頻器調(diào)速、變頻控制柜啟動(dòng)斷開的控制，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)和變頻器以及附屬配件的運(yùn)行狀態(tài)，如可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組和軸承溫度的監(jiān)控調(diào)控，電機(jī)輸出電壓、電流、扭矩等信號(hào)的監(jiān)測(cè)，各參數(shù)在不同工況下隨時(shí)間或者其他因變量變化的曲線變化圖在工控機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。使用Profibus專線作為現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊，可以使風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)與礦井安全生產(chǎn)總調(diào)度系統(tǒng)同步。關(guān)于風(fēng)機(jī)部件的溫度檢測(cè)單元裝置以及磨損檢測(cè)裝置會(huì)實(shí)時(shí)將所監(jiān)測(cè)元件的溫度或者風(fēng)量信號(hào)傳輸至總調(diào)控單元(如軸承、定子)，若監(jiān)測(cè)元件的溫度超過正常范圍，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警同時(shí)視工作情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)軸承的位置受振動(dòng)而偏移，位移傳感器會(huì)傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)警示并進(jìn)行調(diào)整。

表1 控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)值

此外，表1所列該控制系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)壓風(fēng)機(jī)靜態(tài)時(shí)的風(fēng)壓值、不同工況下的壓差值，根據(jù)上述參數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而獲得相應(yīng)參數(shù)的變化圖像，電機(jī)的相關(guān)監(jiān)測(cè)參數(shù)與壓風(fēng)機(jī)特性參數(shù)的監(jiān)控流程一致。為了實(shí)現(xiàn)智慧礦山開采，該壓風(fēng)機(jī)智能化控制系統(tǒng)可直接與礦井的數(shù)字化開采平臺(tái)連接，數(shù)據(jù)可以同步，從供電源頭到驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)控運(yùn)轉(zhuǎn)至控制終端實(shí)現(xiàn)了一體化整合。

3 壓風(fēng)機(jī)改造方案驗(yàn)證分析

圖4為改造前后壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)速波動(dòng)值對(duì)比曲線，可以看到改造后的風(fēng)速波動(dòng)曲線保持平穩(wěn)，幾乎沒有

波動(dòng)，提升了風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性。另外，統(tǒng)計(jì)了使用改造后的壓風(fēng)機(jī)無人值守系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，在員工工作效率方面，發(fā)現(xiàn)改造后的智能化系統(tǒng)相比之前提升了13%，壓風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率提升了16%，同時(shí)由于運(yùn)轉(zhuǎn)效率的提高，使得壓風(fēng)機(jī)的工作能耗降低，減少了壓風(fēng)機(jī)的用電量。在礦井開采的產(chǎn)能方面，提升了17%，同時(shí)無人值守系統(tǒng)的投入也降低了工作人員的數(shù)量，減少了每月的固定成本開支。綜上分析，可得出壓風(fēng)機(jī)無人值守系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)異。

圖4 改造前后風(fēng)速波動(dòng)對(duì)比

4 結(jié) 語

通過對(duì)煤礦的壓風(fēng)機(jī)組進(jìn)行了無人值守智能化升級(jí)改造，從壓風(fēng)機(jī)組的硬件設(shè)備到控制系統(tǒng)和控制功能，整體進(jìn)行了升級(jí)改造，推動(dòng)了郭莊煤礦數(shù)字化礦山的進(jìn)程，經(jīng)過驗(yàn)證分析，改造后的壓風(fēng)機(jī)無人值守系統(tǒng)可以使其設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率提高16%，同時(shí)減少了壓風(fēng)機(jī)組的能耗使用率，節(jié)約電量。 壓風(fēng)機(jī)組的無人化值守，可減少工作人員的投入，無人化運(yùn)轉(zhuǎn)可以促進(jìn)開采效率的提高，一定條件下可提升至17%。節(jié)約成本，擴(kuò)大收益，同時(shí)符合碳中和的生產(chǎn)宗旨。