基于變頻技術(shù)的煤礦通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田振玲

[摘 ? ?要]針對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法有效提高通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率問(wèn)題，開(kāi)展基于變頻技術(shù)的煤礦通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。通過(guò)基于變頻技術(shù)的操作臺(tái)設(shè)計(jì)、PLC控制柜設(shè)計(jì)等硬件設(shè)計(jì)和礦井內(nèi)部通風(fēng)需求量計(jì)算、基于變頻技術(shù)的不間斷通風(fēng)控制等軟件設(shè)計(jì)，提出一種全新的控制系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，新的控制系統(tǒng)能夠有效提高通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)2 4h不間斷運(yùn)行，同時(shí)提出了相應(yīng)的補(bǔ)充措施，提高通風(fēng)效果。

[關(guān)鍵詞]變頻技術(shù);煤礦通風(fēng);自動(dòng)控制

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD724 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]Aiming at the problem that the traditional control system cannot effectively improve the operation efficiency of the ventilator in practical application， the design and research of coal mine ventilation automatic control system based on frequency conversion technology is carried out. Through hardware design such as frequency conversion technology-based console design， PLC control cabinet design and other hardware design， calculation of mine internal ventilation demand， and software design of uninterrupted ventilation control based on frequency conversion technology， a brand-new control system is proposed. Experiments have shown that the new control system can effectively improve the operating efficiency of the ventilator and achieve 24-hour uninterrupted operationAt the same time， the corresponding supplementary measures are put forward to improve the ventilation effect.

[Keywords]frequency conversion technology; coal mine ventilation; automatic control

當(dāng)前，通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用于工廠、礦井、隧道等需要進(jìn)行通風(fēng)、排塵的工作環(huán)境當(dāng)中。在進(jìn)行煤礦開(kāi)采和生產(chǎn)的過(guò)程中，通風(fēng)機(jī)承擔(dān)著將新鮮的空氣傳輸?shù)降V井當(dāng)中，將各類(lèi)有毒氣體和粉塵排放的重要任務(wù)。因此，通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，對(duì)于整個(gè)煤礦開(kāi)采而言都有著至關(guān)重要的作用。由于通風(fēng)機(jī)設(shè)備在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中具有一定的特殊性，當(dāng)出現(xiàn)短暫停風(fēng)的現(xiàn)象時(shí)，則會(huì)引起煤礦內(nèi)瓦斯氣體的爆炸，造成十分嚴(yán)重的煤礦開(kāi)采事故，因此煤礦通風(fēng)機(jī)必須保持全天候地不間斷工作。基于這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種能夠安全、有效、實(shí)時(shí)地通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，以此保障煤礦開(kāi)采和生產(chǎn)的安全是一項(xiàng)重要的研究課題。傳統(tǒng)煤礦通風(fēng)控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，由于存在控制精度低、大量能源浪費(fèi)、故障判斷依靠操作人員經(jīng)驗(yàn)判斷等問(wèn)題，因此存在著較大的安全隱患，威脅煤礦安全生產(chǎn)。基于此，本文結(jié)合變頻技術(shù)對(duì)煤礦通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1 煤礦通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變頻技術(shù)是一種把直流電逆變成不同頻率交流電的轉(zhuǎn)換技術(shù)。它可把交流電變成直流電后再逆變成不同頻率的交流電，或是把直流電變成交流電后再把交流電變成直流電。其工作原理是將三相380 V（220 V）/50 Hz交流電通過(guò)整流橋整流變成脈動(dòng)直流電，通過(guò)電解電容濾波后變成平滑的直流電，控制板對(duì)IPM、IGBT或模塊的控制后將平滑的直流電變成三相頻率可變的交流電。

1.1 基于變頻技術(shù)的操作臺(tái)設(shè)計(jì)

考慮到煤礦通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的需要，本文將系統(tǒng)中的操作臺(tái)設(shè)計(jì)為一個(gè)主臺(tái)和兩個(gè)輔臺(tái)結(jié)構(gòu)。在主臺(tái)結(jié)構(gòu)上配備觸摸屏和兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)按鈕，在輔臺(tái)結(jié)構(gòu)上放置兩臺(tái)型號(hào)規(guī)格均相同的工控裝置。為了確保在出現(xiàn)短時(shí)間停低壓電源的情況下，本文系統(tǒng)依然能夠保持平穩(wěn)運(yùn)行，本對(duì)操作臺(tái)的配電結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。

操作臺(tái)作為本文系統(tǒng)的核心硬件，對(duì)于各類(lèi)設(shè)備的控制主要通過(guò)按鈕和旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)和按鈕更方便地對(duì)多臺(tái)通風(fēng)機(jī)以及相關(guān)輔助設(shè)備進(jìn)行起停控制。本文在對(duì)操作臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到變頻技術(shù)的應(yīng)用需要，當(dāng)選擇操控臺(tái)控制時(shí)，通過(guò)端子將變頻裝置的控制方式轉(zhuǎn)換為端子控制，此時(shí)變頻裝置的控制端口為干節(jié)點(diǎn)，只能夠通過(guò)無(wú)源開(kāi)關(guān)量信號(hào)完成對(duì)變頻控制的啟動(dòng)和停止。

1.2 PLC控制柜設(shè)計(jì)

基于煤礦通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)需要，為確保實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦通風(fēng)機(jī)的全天候自動(dòng)控制，本文引入PLC控制柜結(jié)構(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)中某一單元出現(xiàn)問(wèn)題，則通過(guò)PLC控制柜對(duì)備用單元進(jìn)行切換，以此實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的不間斷運(yùn)行，從而提高本文系統(tǒng)的可靠性。本文選擇S8-150H型PLC控制柜，該型號(hào)PLC控制柜當(dāng)中包含了兩個(gè)416-3HCPU，其所有重要部件都為冗余配置，能夠自動(dòng)將出現(xiàn)故障的單元中斷。當(dāng)本文系統(tǒng)中某一單元出現(xiàn)故障時(shí)，備用單元與該單元自動(dòng)同步建立連接，并由PLC控制柜中的CPU發(fā)出相應(yīng)的Link請(qǐng)求，將所有相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到CPU當(dāng)中。由于本文系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)利用模擬量輸出進(jìn)行變頻裝置頻率調(diào)節(jié)的控制，因此在對(duì)PLC控制柜進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還選用將6ES8325-4JD05的雙通道模擬輸出模塊作為備用。利用該模塊將數(shù)字量的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為通風(fēng)機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)電流和電壓信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的控制。

2 煤礦通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 礦井內(nèi)部通風(fēng)需求量計(jì)算

根據(jù)2011版《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，礦井需要的風(fēng)量分別按井下同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算和按采煤、掘進(jìn)、硐室及其他用風(fēng)地點(diǎn)實(shí)際需要風(fēng)量的總和進(jìn)行計(jì)算，并取其中的最大值。

在利用本文系統(tǒng)完成對(duì)煤礦通風(fēng)機(jī)的控制時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)確定在不同煤礦開(kāi)采項(xiàng)目當(dāng)中礦井內(nèi)通風(fēng)需求量。結(jié)合一般煤礦開(kāi)采要求，分別對(duì)礦井內(nèi)部通風(fēng)需求量、局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量、采煤工作面的需風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。其中礦井內(nèi)部通風(fēng)需求量計(jì)算公式為：

式（1）中：M表示礦井內(nèi)部通風(fēng)需求量，礦井內(nèi)部通風(fēng)需求量表示為煤礦礦井內(nèi)需風(fēng)量備用系數(shù);x為礦井空氣密度;ms表示主通風(fēng)機(jī)開(kāi)采工作面上的通風(fēng)需求量;ms'表示備用通風(fēng)機(jī)的開(kāi)采工作面通風(fēng)需求量;mi表示獨(dú)立風(fēng)流通量;mr表示礦井內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)上的通風(fēng)需求量。

按工作面最多人員數(shù)量計(jì)算采煤工作面的需風(fēng)量為：

Q綜合=γNc （2）

式中：γ為每分鐘單人所需最低風(fēng)量，m3/min;Nc為采煤工作面同時(shí)工作的最大人數(shù)。

局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量為：

Q掘=Qf×Ii×Kf （3）

式中：Qf為掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量;Ii為掘進(jìn)工作面同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的局部通風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù);Kf為局部通風(fēng)機(jī)吸循環(huán)風(fēng)的風(fēng)量備用系數(shù)，一般取值1.2～1.3。

根據(jù)上述公式，完成對(duì)礦井內(nèi)部通風(fēng)需求量的計(jì)算，為通風(fēng)機(jī)控制提供依據(jù)。

2.2 基于變頻技術(shù)的不間斷通風(fēng)控制

由于本文在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要求通風(fēng)機(jī)能夠保持24 h不間斷地運(yùn)行，因此考慮到不同煤礦開(kāi)采的不同狀態(tài)，本文引入變頻技術(shù)，對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。變頻技術(shù)主要是針對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速處理，其調(diào)速過(guò)程主要由三大類(lèi)：

（1）改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，即當(dāng)電源頻率一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速近似與磁極對(duì)數(shù)成反比，磁極對(duì)數(shù)增加一倍，轉(zhuǎn)速近似地減小一半，公式為：

（2）改變轉(zhuǎn)差率，在繞線(xiàn)型電動(dòng)機(jī)回路里可以串聯(lián)調(diào)速電阻，在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下，轉(zhuǎn)子回路電阻增大，轉(zhuǎn)速下降。

（3）改變電源頻率，主要借助變頻技術(shù)的變頻器，可以使交流電源的頻率連續(xù)調(diào)節(jié)，從而使交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠從低速到高速都保持高效寬范圍和高精度的調(diào)速性能。

在本文系統(tǒng)當(dāng)中包括操作臺(tái)運(yùn)行模式和上位機(jī)操作運(yùn)行模式兩種，其中上位機(jī)操作運(yùn)行模式主要通過(guò)人為控制的方式，由負(fù)責(zé)人員在上位機(jī)當(dāng)中通過(guò)發(fā)送控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)控制。操作臺(tái)運(yùn)行模式，主要是將變頻裝置產(chǎn)生的頻率信號(hào)通過(guò)本文上述設(shè)計(jì)的操作臺(tái)，對(duì)滑動(dòng)變阻器給定一個(gè)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)變頻控制。當(dāng)滑動(dòng)變阻器的阻值為0～12 k時(shí)，此時(shí)由變頻裝置將相應(yīng)的電阻轉(zhuǎn)換為兩路標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻裝置的頻率控制，進(jìn)而控制通風(fēng)機(jī)的不同運(yùn)行狀態(tài)。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的基于變頻技術(shù)的煤礦通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，避免在投入使用后出現(xiàn)故障問(wèn)題影響煤礦開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，本文將該系統(tǒng)投入使用前，首先對(duì)其運(yùn)行效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可對(duì)比性，選擇將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)作為對(duì)比，完成如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)：

為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性，對(duì)于兩種系統(tǒng)當(dāng)中的PLC裝置、操作臺(tái)、通風(fēng)裝置等均采用相同的設(shè)備型號(hào)完成。選擇將某煤礦通風(fēng)機(jī)裝置作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別利用本文提出的控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對(duì)該通風(fēng)機(jī)進(jìn)行24 h不間斷控制，對(duì)比兩種系統(tǒng)控制下通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，見(jiàn)表1。

由表1可知，在本文系統(tǒng)控制下通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率均超過(guò)1 000 m3/d;而傳統(tǒng)系統(tǒng)控制下通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率均小于1 000 m3/d，甚至在第3天到第5天只能達(dá)到500 m3/d左右。因此，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于變頻技術(shù)的煤礦通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效提高通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的24 h不間斷控制和運(yùn)行，確保煤礦開(kāi)采和生產(chǎn)的安全。

4 補(bǔ)充措施

在對(duì)煤礦通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)即通風(fēng)方式，為保證井下個(gè)工作長(zhǎng)所須有足夠的新鮮風(fēng)量，并降低通風(fēng)費(fèi)用，提出相應(yīng)的應(yīng)急情況應(yīng)對(duì)措施，提高通風(fēng)效果。

（1）礦井下巷道建議在支護(hù)條件許可的情況下，優(yōu)先采用錨噴支護(hù)或砌碹支護(hù);

（2）井下巷道布置盡量減少斷面的變化，需要變斷面處，盡量避免忽大忽小的急劇變化，巷道相交處盡量設(shè)計(jì)成平滑過(guò)渡的結(jié)構(gòu)形式，以利風(fēng)流順利通過(guò);

（3）井下每組風(fēng)門(mén)最小設(shè)兩道，并保證安裝質(zhì)量，以防人員，車(chē)輛通過(guò)時(shí)引起風(fēng)流短路;

（4）對(duì)采動(dòng)影響造成的巷道裂縫及時(shí)用水泥砂漿充填，減少漏風(fēng);

（5）及時(shí)密閉已采的區(qū)域即回采的工作面，減少向采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于通風(fēng)機(jī)裝置的重要作用，開(kāi)展基于變頻技術(shù)的煤礦通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，通過(guò)研究提出一種全新的控制系統(tǒng)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)論證的方式證明了該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。由于研究能力有限，本文系統(tǒng)當(dāng)前無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況下礦井空氣氣壓的有效提升，因此在后續(xù)研究中還將對(duì)此進(jìn)行更加深入的探究。

參考文獻(xiàn)

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