礦井主通風機自動化控制系統(tǒng)的研究

李健波

唐山開灤趙各莊礦業(yè)有限公司機電科，河北唐山 063101

0 引言

礦用通風系統(tǒng)是實現(xiàn)煤礦井上和井下空氣交換的重要設備，它負責向井下輸送新鮮空氣，排除有害、有毒氣體，調(diào)節(jié)礦井內(nèi)風量、濕度和溫度，以確保礦井的安全生產(chǎn)[1]。另外通風機在工作時要求的電流和電壓較大，工作環(huán)境惡劣，在運行過程中出現(xiàn)事故的概率較高。在國內(nèi)大多數(shù)煤礦采用人工管理，無法實現(xiàn)對煤礦實時監(jiān)控、調(diào)度和管理，不利于煤礦通風系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行[2]。在煤礦通風系統(tǒng)中的自動化包括了對環(huán)境質量監(jiān)測的自動化和對通風狀況的檢測兩個方面，在煤礦通風機控制系統(tǒng)中引入自動化控制技術，實現(xiàn)對煤礦通風，預防和減輕礦井事故，提高井下工作的安全系數(shù)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 自動化控制技術原理

煤礦主通風機自動化控制系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、通風系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)三大部分組成[3]。

傳感器系統(tǒng)包括風壓傳感器、風量傳感器、溫度傳感器、有毒氣體濃度傳感器、分量調(diào)節(jié)單元等傳感器組成，傳感器在信號傳輸?shù)倪^程中可以采用時分制和頻分制兩種不同的方式。在煤礦上可以通過改變風門的角度來調(diào)節(jié)通風機的風量，風門開度的大小通過地面控制室來控制。通風系統(tǒng)還可以通過變頻器改變通風機電機的轉速來實現(xiàn)礦井內(nèi)風速和風量的自動調(diào)節(jié)。在國外還可以通過通過傳感器對礦井內(nèi)局部溫度或者氣體濃度的檢測來控制局部通風機的運轉。中央控制系統(tǒng)則是采用微型計算機完成對監(jiān)控站的數(shù)據(jù)進行采集和整理，并根據(jù)礦井的需要動態(tài)控制通風量。計算機具有接口多，擴展能力強等一系列優(yōu)點，在煤礦風機的自動化控制過程中具有反映速度快，控制精度高的特點。中央控制系統(tǒng)還負責對礦井內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控和報警等功能，其具體的原理如下圖1 所示。

圖1 自動化控制系統(tǒng)原理圖

2 主通風機系統(tǒng)自動化控制的方式

在煤礦主通風機系統(tǒng)中為了提高其自動化的程度，往往將PLC 和變頻器結合實現(xiàn)對異步電機的變頻調(diào)速控制。通常情況下，PLC 采用開光指令、模擬量和RS-485 三種不同的方式實現(xiàn)對變頻器的調(diào)節(jié)[4]。

2.1 開關指令

該控制方式把繼電器節(jié)點與PLC 連接在一起，以獲取運行狀態(tài)。通過對變頻器的控制實現(xiàn)通風機電機的啟停控制和輸出頻率的改變。由于變頻器的輸出頻率是預先設定好的，僅為一些固定數(shù)值，故使用該控制方式不能實現(xiàn)異步電機的無極變速，只適用于不需要電機連續(xù)調(diào)速的場合。

2.2 模擬量控制

變頻器的輸入信號有數(shù)字量和模擬量兩種不同的類型，其中模擬信號通過A/D 模塊轉換后，輸出0V～10V 的電壓或者4mA～20mA 的電流。把信號輸入到變頻器模擬量輸入端，控制變頻器輸出電源頻率的方式成為模擬量控制方式。該控制方式中變頻器和PLC 間的距離不能太遠，不適于煤礦通風機控制系統(tǒng)的要求。

2.3 RS-485

PLC 通過RS-485 方式來控制變頻器是目前應用最為廣泛的控制方式，具有抗干擾能力強、傳輸速率高、傳輸距離遠等一系列優(yōu)點。對于大多數(shù)變頻器都有RS-485 接口，可以通過通信的方式實現(xiàn)設備的啟動、停止、正反轉和調(diào)速，還可以實現(xiàn)對變頻器參數(shù)的修改。在煤礦通風系統(tǒng)通風機的控制系統(tǒng)中我們經(jīng)常采用RS-485 的通信類型。

3 自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能和應用[5]

在煤礦通風機控制系統(tǒng)中自動化技術得到了非常廣泛的應用，主要體現(xiàn)在以下3 個方面[6]。

1）數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。在自動化控制系統(tǒng)中需要用多個傳感器來檢測礦井中的參數(shù)，包括風機的運行狀況、風量的大小、風壓的高低等，其具體參數(shù)可以通過顯示屏顯示出來；

2）故障的檢測和排除。當通風機系統(tǒng)中通風機出現(xiàn)故障時，自動化控制系統(tǒng)要能夠發(fā)出相應指令關閉故障風機的電源，并且啟動備用風機或者增大其他風機的風量，實現(xiàn)對故障的處理。另外在風機系統(tǒng)運行的過程中，自動化控制系統(tǒng)還要能夠實現(xiàn)對風機運行參數(shù)的檢測，如果無故障則重新啟動風機；

3）故障的報警和診斷。在礦井通風機運行的過程中，自動控制系統(tǒng)出了控制風機的運轉，還要通過對風機參數(shù)的設置來設立報警條件，從而方便技術人員及時排查風機故障，避免安全事故的發(fā)生。同時自動化控制系統(tǒng)還要求其具有故障原因存儲功能，以方便日后安全分析使用[7]；

變頻調(diào)速是自動化控制中的一種，它通過改變電動機定子的供電頻率來實現(xiàn)風機的同步調(diào)速。隨著電力電子技術及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，變頻理論和技術的應用越來越成熟。在煤礦通風系統(tǒng)中變頻器主要用來實現(xiàn)通風機的軟啟動和無極平滑調(diào)速；減少通風機的啟動時間，限制通風機的啟動電流，保證電動機和通風機的使用壽命。在煤礦通風機系統(tǒng)中使用變頻器已經(jīng)成為煤礦安全運行的重要保證，如今在很多煤礦上已經(jīng)使用了變頻調(diào)速，舊的通風機控制系統(tǒng)也在進行逐步的改造，節(jié)約了大量的電能，延長了通風機的使用壽命名

4 結論

通風系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要組成成分，其通風系統(tǒng)設計的優(yōu)劣直接影響著礦井的抗災能力和經(jīng)濟效益。將自動化技術應用到礦井主通風機通風系統(tǒng)的設計中，實現(xiàn)對煤礦井下溫度、適度以及有毒氣體的檢測，以及對通風機風量和風壓的控制，實現(xiàn)了通風機對風速的無極調(diào)節(jié)，大大節(jié)省了電能的消耗，保證了煤礦的安全生產(chǎn)。

[1]徐海.主通風機在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用[J].礦山機械，2007(11)：38-40

[2]龐訓安.基于以太網(wǎng)的煤礦通風機自動化系統(tǒng)[J].計算機與現(xiàn)代化，2008(9).

[3]祝龍記.礦用變頻調(diào)速局部通風機的模糊控制理論[J].煤炭科學技術，2003(9).

[4]黃威，黃禹.變頻器的使用與節(jié)能改造[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011

[5]高俊祥，高孝亮.自動化控制技術在煤礦通風系統(tǒng)中的應用[J].煤礦安全，2011-11.

[6]范天吉.煤礦通風綜合技術手冊[M].長春：吉林電子出版社，2003.

[7]王必旺.淮北楊莊礦主通風機性能在線檢測與通訊系統(tǒng)[J].煤礦機械，2006(11).