煤礦變頻通風(fēng)系統(tǒng)及軟硬件的選型設(shè)計(jì)

張敏敏

（晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司鳳凰山礦通風(fēng)區(qū)，山西 晉城 048000）

引言

通風(fēng)系統(tǒng)號(hào)稱綜采工作面的“肺”，不僅為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員提供新鮮空氣，降低瓦斯?jié)舛?，減少瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，而且還能夠降低工作面的粉塵濃度，為作業(yè)人員提供舒適的工作環(huán)境。因此，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)于保證工作面的安全生產(chǎn)，具有不可或缺的作用。實(shí)際應(yīng)用中，為了保證工作面的安全生產(chǎn)，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)24 h運(yùn)行，耗電量巨大，且當(dāng)前通風(fēng)控制系統(tǒng)還依靠傳統(tǒng)的人為調(diào)節(jié)擋板對(duì)通風(fēng)量進(jìn)行控制，不僅自動(dòng)化程度低，而且電能損耗巨大[1]。因此，實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)系統(tǒng)的變頻調(diào)速控制對(duì)保證工作面安全生產(chǎn)和節(jié)能生產(chǎn)具有重要意義。

1 礦井主通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)成

為結(jié)合當(dāng)前工作面對(duì)通風(fēng)量的控制需求和節(jié)能減排的生產(chǎn)要求，主通風(fēng)系統(tǒng)主要由通風(fēng)機(jī)和變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成。其中，通風(fēng)機(jī)根據(jù)葉輪中氣體流動(dòng)方向的不同可以分為離心式通風(fēng)機(jī)、軸流式通風(fēng)機(jī)和混流式通風(fēng)機(jī)。目前，煤礦中常配置的通風(fēng)機(jī)為軸流式通風(fēng)機(jī)和離心式通風(fēng)機(jī)。鑒于軸流式通風(fēng)機(jī)具有通風(fēng)效率高、噪音低以及節(jié)能效果好等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用[2]。鳳凰山礦所采用的通風(fēng)機(jī)為對(duì)旋式軸流式通風(fēng)機(jī)，其型號(hào)為FBCDZNo24/2×200，其參數(shù)如表1所示。

2 變頻通風(fēng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

為解決當(dāng)前煤礦通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化水平低、監(jiān)測(cè)精度低以及監(jiān)測(cè)參數(shù)不全面的問題，本文所設(shè)計(jì)礦井通風(fēng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)將包括對(duì)通風(fēng)機(jī)電機(jī)的控制、風(fēng)門的控制、實(shí)現(xiàn)井上與井下通信并對(duì)通風(fēng)機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而采用傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)無法滿足上述所有功能要求，在當(dāng)前以PLC控制器為主的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中必須用現(xiàn)場(chǎng)總線才能夠?qū)νL(fēng)系統(tǒng)的所有設(shè)備進(jìn)行全面、合理的協(xié)調(diào)管理[2]。

表1 FBCDZNo24/2×200型對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)參數(shù)

簡(jiǎn)單的說，煤礦通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括有上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，其主要結(jié)構(gòu)可通過如圖1所示的框圖表示。

圖1 通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示，通風(fēng)機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過云平臺(tái)對(duì)設(shè)備電機(jī)的工作狀態(tài)和風(fēng)門的開啟、關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，從而保證用戶對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，并為用戶提供實(shí)時(shí)查詢、記錄界面；高壓開關(guān)柜信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)控制通風(fēng)機(jī)電機(jī)啟停的相關(guān)電氣參數(shù)（過壓、過流、速斷、欠壓等）和對(duì)應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)（電機(jī)有功功率和無功功率等參數(shù)）監(jiān)測(cè)；勵(lì)磁控制系統(tǒng)主要獲得相關(guān)控制指令對(duì)1號(hào)、2號(hào)通風(fēng)機(jī)電機(jī)啟停進(jìn)行控制；風(fēng)門控制系統(tǒng)主要獲得相關(guān)指令對(duì)風(fēng)門開口大小進(jìn)行控制[3]。

根據(jù)煤礦自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制需求、監(jiān)測(cè)需求需對(duì)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)通風(fēng)量、風(fēng)壓；通風(fēng)機(jī)軸承溫度、電機(jī)溫度及其軸承溫度；通風(fēng)路線上的風(fēng)阻及靜壓值等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 變頻通風(fēng)系統(tǒng)的硬件選型

3.1 控制器的選型

為實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)系統(tǒng)能夠根據(jù)工作面工況對(duì)通風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動(dòng)、高效控制，當(dāng)前以基于PLC的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)為主，其核心裝置為變頻器和PLC控制器[4]。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可將變頻器分為交-交變頻器和交-直-交變頻器。結(jié)合當(dāng)前工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，采用交-直-交變頻器，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變頻器基本結(jié)構(gòu)框圖

結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)量控制的響應(yīng)速度、控制精度和控制效率，鳳凰山礦主通風(fēng)系統(tǒng)選用SJ700系列的變頻器。

PLC為當(dāng)前工業(yè)中除了單片機(jī)應(yīng)用較為廣泛的控制器，PLC選型的重要依據(jù)為自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制需求和控制精度。綜合分析通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的所需監(jiān)測(cè)的參數(shù)數(shù)量（數(shù)字量和模擬量的個(gè)數(shù)）、響應(yīng)時(shí)間以及對(duì)通風(fēng)機(jī)的控制準(zhǔn)確性，綜合比較不同品牌PLC控制器的性能，最終確定選用西門子系列的S7-300PLC控制器。

根據(jù)主通風(fēng)系統(tǒng)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)和控制功能，鳳凰山礦主通風(fēng)系統(tǒng)選用S7-300型PLC。PLC控制器將控制信號(hào)通過電流信號(hào)傳送至變頻器，由變頻器對(duì)通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)，各個(gè)控制器對(duì)應(yīng)的模塊分別如表2所示。

3.2 電路設(shè)計(jì)

為主通風(fēng)系統(tǒng)配置兩回路高壓電源供電，分為高壓母線和低壓母線。主通風(fēng)系統(tǒng)中涉及的四個(gè)通風(fēng)機(jī)分別由四個(gè)變頻器對(duì)其進(jìn)行控制，為保證變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，為每個(gè)變頻器配置一個(gè)工頻旁路柜，當(dāng)某一個(gè)變頻器無法正常工作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換至工頻旁路以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

表2 PLC控制器及其模塊選型

3.2.1 高壓進(jìn)線柜的組成

為實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)系統(tǒng)的集中監(jiān)測(cè)和控制，同樣采用PLC控制系統(tǒng)對(duì)高壓柜進(jìn)行控制，高壓控制柜主要為主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行提供保護(hù)，包括有過載保護(hù)、過壓保護(hù)和過電流保護(hù)以及對(duì)應(yīng)的報(bào)警功能。本主通風(fēng)系統(tǒng)高壓進(jìn)線柜內(nèi)所配置的關(guān)鍵設(shè)備型號(hào)如表3所示。

表3 高壓進(jìn)線柜保護(hù)設(shè)備型號(hào)

3.2.2 低壓開關(guān)柜的組成

根據(jù)主通風(fēng)系統(tǒng)的控制要求為其配置12臺(tái)低壓開關(guān)柜，每臺(tái)柜的類型及數(shù)量、編號(hào)如表4所示。

表4 低壓開關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

配電饋線柜主要用于對(duì)主通風(fēng)系統(tǒng)相配套的控制風(fēng)門的絞車、加熱裝置和照明系統(tǒng)等；每臺(tái)低壓開關(guān)柜均配置有隔離開關(guān)、斷路裝置以及繼電器等，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4 變頻通風(fēng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)中工作面一般最少配置兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)，一臺(tái)為工作通風(fēng)機(jī)，另一臺(tái)為備用通風(fēng)機(jī)。當(dāng)其中一臺(tái)通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，在相應(yīng)控制程序的控制下另一臺(tái)通風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。但是，上述控制思路往往會(huì)導(dǎo)致一臺(tái)通風(fēng)機(jī)頻繁工作，而另一臺(tái)控制通風(fēng)機(jī)的利用率卻不高。未解決工作面兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)工作時(shí)間不均衡的情況，設(shè)定相應(yīng)程序控制通風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換，從而提高每臺(tái)通風(fēng)機(jī)的利用率[5]。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)如圖3所示的控制流程圖。

5 結(jié)語(yǔ)

通風(fēng)系統(tǒng)是保證綜采工作面瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度等滿足《煤炭安全規(guī)程》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的關(guān)鍵系統(tǒng)，其對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的意義不言而喻。目前，針對(duì)煤礦主通風(fēng)系統(tǒng)的主要問題是提升其自動(dòng)化控制水平、控制效率和控制精度。為此，將基于PLC控制器和變頻器的調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于主通風(fēng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)；同時(shí)，為確保工作面兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)的平衡運(yùn)行，采用輪流切換的控制思路。

圖3 通風(fēng)機(jī)輪換工作控制流程圖