礦井主通風控制系統(tǒng)的配置及功能實現(xiàn)

孫衛(wèi)鋒

（山西煤炭運銷集團陽城西河煤業(yè)有限公司， 山西 陽城 048106）

引言

礦井通風系統(tǒng)號稱綜采工作面的“肺”，其主要作用是為工作面提供新鮮空氣，稀釋工作面的瓦斯?jié)舛?，并將工作面的粉塵、煤塵等排出。在礦井開采末期需風量較大，為保證工作面的生產(chǎn)需求其通風能力一般均大于末期的需風量。因此，需對工作面前期、中期通風系統(tǒng)的通風量進行調(diào)整。傳統(tǒng)控制通風系統(tǒng)的方式自動化程度低，不僅無法實時根據(jù)工作面需風量對通風量進行調(diào)整，而且還造成了電能的浪費[1]。因此，為提升當前煤礦通風控制系統(tǒng)的自動化程度和實時響應特性，對變頻調(diào)速技術(shù)和PLC控制技術(shù)展開分析。

1 節(jié)能型通風自動化控制系統(tǒng)原理分析

實現(xiàn)工作面通風系統(tǒng)的節(jié)能生產(chǎn)，并提升通風系統(tǒng)的自動化水平的根本在于控制系統(tǒng)能夠根據(jù)工作面的實時需風量和通風機的實時通風量對其通風量進行及時、精準的控制。實現(xiàn)上述功能的主要技術(shù)基礎(chǔ)為變頻調(diào)速技術(shù)和PLC控制技術(shù)。本節(jié)對變頻調(diào)速和PLC控制的原理進行分析。

1.1 變頻調(diào)速原理

變頻調(diào)速技術(shù)是通過對通風機供電頻率進行控制，從而達到控制電機轉(zhuǎn)速進而實現(xiàn)對通風機通風量的調(diào)整，變頻調(diào)速原理如式（1）所示：

式中：n1為通風機電機的轉(zhuǎn)速；f1為通風機供電頻率；p為通風機電機的極對數(shù)。

目前，可應用于變頻調(diào)速的方式包括有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速、恒功率調(diào)速等。通過變頻調(diào)速實現(xiàn)對通風機電機轉(zhuǎn)速的控制，當電機轉(zhuǎn)速減少一倍時，對應的通風量也減少一倍，此時對應的通風機的運行功率減少1/4，從而達到節(jié)能的效果。

變頻器為通風系統(tǒng)實現(xiàn)變頻調(diào)速的核心設(shè)備，為保證通風設(shè)備變頻調(diào)速的功能需選擇適用于煤礦生產(chǎn)的變頻器。

1.2 PLC控制原理

PLC為當前應用于工業(yè)生產(chǎn)中最為廣泛的控制器，基于PLC控制器能夠?qū)ぷ髅骘L壓、風量以及溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并與將上述參數(shù)與設(shè)定值進行對比。若兩組數(shù)據(jù)存在偏差將基于相應控制算法得出對應的控制指令，從而實現(xiàn)對變頻器的控制，最終實現(xiàn)對通風系統(tǒng)通風量的控制[2]。PLC控制原理如圖1所示。

圖1 PLC控制原理框圖

PLC選型時應綜合分析控制系統(tǒng)任務(wù)和要求，通過對輸出/輸入點數(shù)的估算、存儲容量以及兼容性等要求完成對PLC控制器及其附屬元器件的選型。

當前，PLC控制器可通過其輸出的開關(guān)量、模擬量或者RS-485通信方式實現(xiàn)對變頻器的控制。

2 通風控制系統(tǒng)的配置

為實現(xiàn)通風系統(tǒng)的節(jié)能、自動化控制功能，需在傳統(tǒng)通風系統(tǒng)的基礎(chǔ)上為其增設(shè)變頻調(diào)速系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)以及上位機系統(tǒng)等[3]。根據(jù)工作面的通風需求，為其配置兩套獨立的通風系統(tǒng)，且各個通風系統(tǒng)之間能夠?qū)崿F(xiàn)相互通信。工作面通風機布置情況如圖2所示。

圖2 工作面通風布置示意圖

如圖2所示，工作面的兩臺通風機采用一備一用的原則，且要求備用通風系統(tǒng)能夠在主用通風系統(tǒng)發(fā)生故障后10 min內(nèi)啟動。工作面采用通風機為對旋式軸流通風機，每臺通風機配置兩臺電機，電機的額定功率為200 kW，額定電壓為390 V，額定轉(zhuǎn)速為1 470 r/min，通風機葉輪的額定轉(zhuǎn)速為740 r/min。

2.1 PLC控制系統(tǒng)的配置

本礦井通風系統(tǒng)所采用PLC控制器的型號為S7-300。基于PLC控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對通風機運行狀態(tài)、電機軸承溫度、風門位置等參數(shù)進行控制。為實現(xiàn)變頻調(diào)速控制的功能，PLC控制系統(tǒng)與變頻調(diào)速控制系統(tǒng)之間基于MODBUS通信協(xié)議實現(xiàn)通信[4]?；赑LC控制器的選型結(jié)果，結(jié)合工作面工作環(huán)境特征，為其配置輔助元器件，如表1所示。

表1 PLC控制系統(tǒng)元器件選型

2.2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的配置

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)配置的主要任務(wù)是完成變頻器的選型。變頻器選型時需綜合考慮通風機的額定電流、通風機電機的額定電壓與變頻器的電壓等級相符以及通風機的額定電流等[5]。綜合分析，最終選擇SJ700系列的變頻器，且具體型號為SJ700-3150HFE2，該型號變頻器的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

由于本通風系統(tǒng)含有兩個通風機，每臺通風機設(shè)有兩臺電機，故為通風系統(tǒng)配置四臺可獨立運行的變頻器。

表2 SJ700-3150HFE2關(guān)鍵參數(shù)

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)的配置

監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)的核心為各類傳感器的選型，根據(jù)所監(jiān)測參數(shù)的類別選用如表3所示的傳感器類型。

表3 監(jiān)測系統(tǒng)配置

3 控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

通風控制系統(tǒng)設(shè)計或改造的目的在于提升控制系統(tǒng)自動化水平的同時達到節(jié)能減排的目的。因此，本控制系統(tǒng)核心功能包括有對工作面通風機參數(shù)的監(jiān)測、PLC控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)以及變頻調(diào)速系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。除此之外，通風系統(tǒng)還具備人機交互功能，為操作人員提供簡便的操作界面。

根據(jù)控制需求及任務(wù)，為通風系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)設(shè)計如圖3所示的框圖。

圖3 通風控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)

如圖3所示，PLC控制系統(tǒng)數(shù)字量和模擬量輸入模塊采集現(xiàn)場通風機運行的數(shù)據(jù)信息，并將其與設(shè)定對比分析后，通過控制算法得出對應的控制指令并通過數(shù)字量和模擬量輸出模塊將指令傳送至下位機執(zhí)行機構(gòu)（變頻器）。與此同時，通過輸入模塊所得到的數(shù)據(jù)可通過以太網(wǎng)交換機上傳至工況機上，便于操作人員隨時查閱；而且基于人機交互界面還能夠?qū)νL機的異常運行情況進行報警。

4 結(jié)論

1）將變頻調(diào)速控制與PLC控制技術(shù)聯(lián)合應用于通風系統(tǒng)的控制中，使得PLC控制器能夠?qū)崟r根據(jù)通風機的實時運行參數(shù)及工作面的需風量對變頻器進行控制，在提升通風系統(tǒng)自動化水平的同時，達到節(jié)能的目的。

2）將PLC控制器通過MODBSU通信協(xié)議與變頻器、傳感器等器件進行通信，將PLC控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機進行通信，實現(xiàn)人機交互功能。