礦井主通風機自動化控制系統(tǒng)設計分析

孫云龍

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團神角煤業(yè)有限公司 山西省臨汾市 042100）

近些年來我國社會經(jīng)濟處在迅速發(fā)展的過程中，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略以及科學發(fā)展觀的提出使得人們的環(huán)保意識逐漸提升，開始積極探究新型環(huán)保能源的開發(fā)，以取代當前社會發(fā)展比較依賴但卻會造成嚴重污染的煤炭資源，但從實際情況來看，能源結構面臨著一個漫長的發(fā)展時間，而在這一過程中依然會使用煤炭資源支撐經(jīng)濟社會的發(fā)展。在正式進行煤礦井下開采工作的過程中經(jīng)常會面臨氣體流通不暢的現(xiàn)象，受到各種不利因素的限制，存在著較大的有害氣體積聚的隱患，這會在極大程度上影響相關人員的正常工作，并且會對其身體健康產(chǎn)生一定的負面影響。相關調查研究表明，有70%以上的礦井安全事故都來源于通風系統(tǒng)操作不合理以及故障，基于此，有必要大力進行主通風機自動化控制系統(tǒng)的研究。

1 研究背景

若想真正保障礦井的安全生產(chǎn)則勢必要確保通風系統(tǒng)的正常運行，而對于礦井的通風系統(tǒng)來說，礦井主通風機之其中至關重要的核心設備，直接關系到其能否順利將新鮮空氣運送到井下，并在此過程中將煤塵和有害氣體排出，其運行狀況對于礦井生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性以及從企業(yè)整體經(jīng)濟效益的提升有著重要影響。基于此，加大力度把控通風機的安全可靠運行，在現(xiàn)有的基礎上促進操作人員自身技能水平的提升可以為通風機高質量應用創(chuàng)造良好的條件。目前來看，在工業(yè)化程度不斷提高的時代背景下，煤礦企業(yè)在生產(chǎn)規(guī)模方面呈現(xiàn)出逐漸擴大的趨勢，并且在生產(chǎn)效率方面也有了明顯的提升，這便對現(xiàn)有的礦井聲場系統(tǒng)提出了更高的要求，促使其朝著自動化的方向縱深發(fā)展。企業(yè)為了能夠適應時代發(fā)展進程開始積極引入新型的控制技術以及電氣設備，而若想真正保障自動化控制成效，管理部門應當能夠針對主通風機和礦井風量所產(chǎn)生的變化情況展開實時動態(tài)的遠程控制工作，基于此，企業(yè)應當構建起新型的主通風機實時在線監(jiān)控系統(tǒng)，為自動化控制工作的高效落實提供技術支撐。

2 煤礦主通風機中自動化控制技術的應用原理和系統(tǒng)功能

2.1 應用原理

自動化控制技術在煤礦主通風機中的應用具體包括傳感器系統(tǒng)、通風系統(tǒng)以及中央控制系統(tǒng)三方面。首先，傳感器系統(tǒng)可以實現(xiàn)對于有害氣體濃度、深度、溫度以及風量和風壓等多方面的全覆蓋，基本上會采用時分制和頻分制作為其信號傳輸?shù)姆绞?。但在深入分析礦井下作業(yè)具體開展狀況之后則發(fā)現(xiàn)工作人員應當對原有的風門角度進行變化，這便可以高效落實對于主通風機具體風量的合理調控。與此同時，還應當利用地面控制室根據(jù)具體要求對風門的角度展開調整工作。

其次則是通風系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是基于變頻器完成電機轉速的調節(jié)工作，最終高效實現(xiàn)礦井下風機風量和風速的自動化調節(jié)的目標。立足于目前我國煤礦企業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，絕大多數(shù)的煤礦都會通過傳感器的應用進行礦井下氣體濃度以及局部溫度等數(shù)據(jù)的采集工作，用來對通風機的轉動展開合理的調節(jié)工作。最后便是中央控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)是基于衛(wèi)星計算機針對監(jiān)控站所獲取的數(shù)據(jù)進行采集以及優(yōu)化整理，與此同時還要在綜合考慮煤礦生產(chǎn)需求的基礎上針對通風量展開實時動態(tài)的調控工作。切實展現(xiàn)出其在擴展能力強以及接口豐富等方面的優(yōu)勢特點，再加上自動化控制較快的速度以及較高的精度，為中央控制系統(tǒng)有效實現(xiàn)報警以及監(jiān)控等功能提供必要條件。

2.2 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)具有多樣化的功能：

（1）其在應用的過程中能夠完整顯示出其運行階段所產(chǎn)生的各種參數(shù)以及運行狀態(tài)，并且能夠根據(jù)相應的監(jiān)控對系統(tǒng)的工作界面展開模擬工作。

（2）該系統(tǒng)可以精確判斷故障的實際情況，明確其屬于停電故障還是故障報警，進而及時發(fā)布指令，在此之后還需要對其詳細記錄，為后續(xù)操作提供參考。

（3）該系統(tǒng)能夠對主通風機運行期間所產(chǎn)生的各種參數(shù)進行記錄，同時還可以對其進行打印，一旦主通風機在運行中出現(xiàn)故障，其便能夠自動化其故障情況及其原因進行打印，并形成記錄。

（4）該系統(tǒng)可以采用自動或者是手動的方式實現(xiàn)對于機器的開關機，工作人員還可以通過遠程遙控的方式對勵磁柜以及高壓柜進行相應的操作。

（5）當開機之后，風道的風門能夠達到自動化倒換的效果。

（6）該系統(tǒng)在進入道在線巡查環(huán)節(jié)之后可以將反風風門絞車、倒機風門絞車運行的具體狀況完整準確地顯示出來。

（7）系統(tǒng)可以自行對勵磁電流以及勵磁點煙的準確性進行分別，一旦出現(xiàn)開車知識便進行自動或者手動開車。

（8）該系統(tǒng)本身具有了極強的自控功能，若是當前礦井風機存在一定的故障，能夠在10秒鐘之內(nèi)啟動備用風機。

（9）該自動控制系統(tǒng)中設計了遠程網(wǎng)絡接口，工作人員可以通過因特網(wǎng)的應用，將其直接同煤礦控制中心相連，繼而達到遠程監(jiān)控的效果。

2.3 應用效果

強化對于自動化控制技術的科學應用，優(yōu)化設計主通風機系統(tǒng)的硬件和軟件，切實提升各種傳統(tǒng)元器件設計的實效性，能夠進一步精簡以往過于復雜繁瑣的接線控制方式，可以為系統(tǒng)實現(xiàn)更加穩(wěn)定安全的運行創(chuàng)造良好的條件。自動化控制系統(tǒng)建立在可編程控制器的基礎上，可以為主通風機在自動變頻和手動變頻的切換方面提供充足的空間。當處在自動變頻狀態(tài)下時，主通風機能夠針對利用傳感器所獲取的風壓值以及有害氣體濃度對相關數(shù)據(jù)展開科學全面的分析工作，進而提升變頻調速的科學性。從實際情況來看，在礦井主通風機中大力使用自動化控制技術能夠展現(xiàn)出以下幾方面應用效果。

首先便是數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，針對礦井主通風機而言，其自動化控制系統(tǒng)的設計涉及到大量傳感器的應用，以有效監(jiān)測礦井生產(chǎn)階段所產(chǎn)生的各種參數(shù)，具體包括風壓大小以及主通風機運行情況等，上述參數(shù)均可以采用可視化的形式展現(xiàn)出來。其次在于對故障的高效檢測以及排除，一旦主通風機產(chǎn)生故障，那么自動化控制系統(tǒng)便會迅速接受指令，繼而對主通風機電源進行自動關閉，在此過程中還會將備用的通風機啟動，或者會根據(jù)實際情況將其他通風機的風量適當提高，以確保礦井下的風量整體處在不變的狀態(tài)下，以進一步保障其故障處理操作的科學性和有效性。除此以外，主通風機系統(tǒng)運行的過程中，自動化控制系統(tǒng)能夠實時動態(tài)地監(jiān)測其運行參數(shù)，在完全解決故障之后則會對通風機進行自動的重啟。最后是故障報警以及診斷，針對礦井主通風機設計自動化控制系統(tǒng)既可以將更加有效地控制主通風機的運轉情況，還可以在主通風機正式運行之前，對相應的報警條件數(shù)值進行與設定，這樣便可以方便技術人員更加全方位、深層次地排查各種通風機故障隱患，以促進其安全事故產(chǎn)生可能性的進一步降低。除此以外，自動化控制系統(tǒng)還可以存儲大量的故障數(shù)據(jù)，最終建立起專家數(shù)據(jù)庫，以便于后續(xù)再產(chǎn)生類似故障時可以作為參考，提升診斷和操作效率。

3 礦井主通風機自動化控制系統(tǒng)設計方案探究

3.1 設計目標

該系統(tǒng)設計應當能夠滿足在啟動和停止方面的控制要求，可以實現(xiàn)對于通風機的自動、手動以及遠程和就地控制等。與此同時該控制系統(tǒng)可以同企業(yè)局域網(wǎng)相接，相關工作人員可以在集中監(jiān)控調度室中實時動態(tài)地開展系統(tǒng)運行情況的監(jiān)測工作，在此過程中還可以達到遠程控制的效果，以及時發(fā)現(xiàn)問題并進行妥善解決。該控制系統(tǒng)中包含著一個通訊模塊，在標準RJ45網(wǎng)絡接口的基礎上連接礦工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，當變頻器控制系統(tǒng)實現(xiàn)在以太網(wǎng)中的有效接入之后可以同綜合自動化平臺服務器相互通信。該自動化控制系統(tǒng)的控制對象范圍比較廣泛，具體包括主通風機變電所中的變頻器、高壓開關柜分閘以及合閘等等。將組態(tài)軟件安設在上位機上，這樣便可以展現(xiàn)出相應的上位機監(jiān)控畫面，輔助相關工作人員針對各種設備現(xiàn)階段的設備運行情況，主要包括數(shù)據(jù)查詢、報警以及報表幾個系統(tǒng)。此外，該自動化控制系統(tǒng)能夠更加準確地對通風機、變頻器以及電機運行參數(shù)等展開監(jiān)測控制工作，以做到及時發(fā)現(xiàn)其中的隱患和不足，避免其范圍擴大對主通風機的高效應用造成負面影響。

3.2 總體方案

本研究主要是基于某地區(qū)的煤礦企業(yè)，針對其主通風機的在線監(jiān)控和變頻控制系統(tǒng)展開設計工作，研究人員在對自動化控制系統(tǒng)總體方案進行制定的過程中應當綜合考慮不同時間段礦井本身在風量需求方面所呈現(xiàn)出的變化，在建設初期，有著相對較小的風量需求，此時的風機可以實現(xiàn)單極電機獨立運行，而在后續(xù)不斷增加風量的工程中便可以將兩級電機結合起來共同運行，以動態(tài)地滿足運行要求。

除此以外，總體方案的設計要求工作人員事先對有可能存在的風險進行預測，并做好相應的準備工作，例如需要安排備用風機，以確保一臺風機產(chǎn)生故障時能夠在短時間范圍內(nèi)迅速啟動另一臺備用風機，以充分同礦井安全運行生產(chǎn)的要求相適應。系統(tǒng)總共有以下三部分組成，首先便是現(xiàn)場測量級，其主要包括電量采集模塊、溫度巡檢儀以及變頻器等，其在實際應用的過程中能夠科學有效地測量風速、負壓、振動以及電機溫度等主通風系統(tǒng)重要參數(shù)，并且還能夠高質量落實主通風機變頻控制。其次便是基礎控制級，這一部門在整體的在線自動化監(jiān)控系統(tǒng)中有著至關重要的心和地位，其構成包括以外網(wǎng)模塊、模擬量擴展模塊等等，在實際應用的過程中主要是根據(jù)程序算法的實際情況針對主通風機系統(tǒng)展開實時動態(tài)的監(jiān)控工作，并全方位采集各種關鍵參數(shù)，科學準確的進行數(shù)據(jù)分析以及處理工作。最后，監(jiān)控管理級則為系統(tǒng)人機交互的接口，主要包括監(jiān)控軟件和工控機幾部分，其關鍵功能在于能夠同下位機LPC實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)交換，更加完整有效地對包括報表打印輸出、曲線顯示、存儲以及數(shù)據(jù)接收等進行監(jiān)管工作。

3.3 硬件設計

3.3.1 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)是礦井主通風機系統(tǒng)硬件設計中比較重要的組成部分，結合行業(yè)現(xiàn)行規(guī)定要求來看，礦井通風機系統(tǒng)需要采用獨立雙電源供電的形式，使得兩路進線電源之間互為閉鎖，針對礦用一級負荷主回路不可以同其他負荷之間相連接。本文所研究的通風系統(tǒng)，在供電系統(tǒng)方面所使用的為室外柜式一體化結構。因為現(xiàn)有的煤礦規(guī)程要求其必須采用雙電源供電，所以對于低壓變電所來說，其供電雄所使用的單母線分段主接線結構，所提供的電源是0.4kV。在主通風機的供電系統(tǒng)中主要包括以下幾種設備，其中低壓配電柜包括兩路獨立電源，其來源于兩臺變壓器，能夠對高壓側的6kV電壓進行轉化，繼而形成低壓側的0.4kV電壓。在該配電系統(tǒng)中涉及到兩臺低壓進線柜，其最主要的作用便是作為風機電源進線的總開關，對變壓器低壓側電源進行接收。系統(tǒng)中的低壓配電可以為主風機系統(tǒng)的運行提供電源。兩臺變頻柜能夠高效控制主通風的變頻調速，可以在變頻柜上展開各種手動操作，進而實現(xiàn)正轉、反轉以及故障復位等功能，與此同時，工作人員還可以變頻柜上明確看到相應的運行指示以及故障報警等。在本文所述的主通風機控制系統(tǒng)中還實現(xiàn)了對于UPS不間斷電源的設置，其能夠有效為主通風機系統(tǒng)整體供電的持續(xù)性以及穩(wěn)定性提供充足的保障，其電源來源于兩路獨立電源，主要會在PCL控制柜中進行安裝，為控制系統(tǒng)中的各種關鍵設備提供電源，具體包括控制柜插座、開關電源、溫度巡檢儀以及PLC控制器等等。

3.3.2 PLC控制系統(tǒng)

從本質上來看PLC其實是一個自動化控制裝置，其能夠有效適用于各種工業(yè)環(huán)境，所以目前PLC已經(jīng)廣泛應用在了各種現(xiàn)代工業(yè)場景中，而在長時間的發(fā)展過程中，PLC得到了極大程度上的優(yōu)化改善，至今為止其在適應性以及穩(wěn)定性方面已經(jīng)有了較大的進步，是當前工控行業(yè)設計人員重點關注的內(nèi)容。本文所研究的礦井主通風機始終處在礦井環(huán)境中，而其生產(chǎn)環(huán)境大多呈現(xiàn)出惡劣和復雜的特點，需要實現(xiàn)長時間的持續(xù)平穩(wěn)運行，這便在極大程度上提高了其在主控制穩(wěn)定可靠性方面的要求，但PLC的優(yōu)勢能夠充分同其條件和要求相適應。基于此，本主礦井主通風機自動化控制系統(tǒng)設計采用PLC作為主控制器。

設計選用的PLC為SIMATIC S7-200系列，這一系列PLC最突出的優(yōu)勢特點便在于可靠性以及靈活度較高，與此同時，其在實際運行的過程中不會產(chǎn)生過高的功耗，由于其體積較小，所以不會占用過大的空間。PLC是該礦井主通風機自動化控制系統(tǒng)中最為關鍵與核心的部分，在PLC的基礎上能夠幫助監(jiān)控系統(tǒng)完成多樣化數(shù)據(jù)的采集、存儲、運算以及處理工作，同時還可以同上位機之間展開數(shù)據(jù)交換。PLC控制系統(tǒng)的構成包括多個模塊，相關工作人員需要從系統(tǒng)功能在要求方面的差異性出發(fā)對各不相同的功能模塊進行選擇。

3.3.3 變頻調節(jié)系統(tǒng)

相關研究人員需要先在仿真研究的基礎上對自適應模糊PID控制技術進行確定，接下來便可以針對變頻調節(jié)系統(tǒng)展開設計工作。本文在選定核心控制器之后便可以通過傳感器的應用廣泛采集系統(tǒng)風壓等相關參數(shù)，利用通信模塊為變頻器和控制器之間所開展的數(shù)據(jù)交流創(chuàng)造良好的條件，并基于上位機完整準確地展現(xiàn)出風機的相關數(shù)據(jù)。

結合實際情況來看，程序在運行過程中主要包含著兩種模式，其一是手動模式，其二是自動模式，手動模式主要指的是操作人員在明確通風機當前運行情況的基礎上根據(jù)需求合理切換系統(tǒng)，而自動模式則更加強調控制器針對存在于分支風道內(nèi)部風速以及負壓所開展的監(jiān)控工作。研究人員在綜合考慮各方面影響因素的同時在現(xiàn)有程序的基礎上增設了平風門以及立風門，兩風門處在互鎖的狀態(tài)，若是1號風機中出現(xiàn)故障無法迅速投入運行便可以啟動2號風機，此舉能夠在極大程度上降低風流短路事故出現(xiàn)的可能性。當風機處在正常運行狀態(tài)下時，控制器會按照標準值對采集數(shù)據(jù)進行比較，若是在采集風量數(shù)值同標準值之間存在過大的差距，程序便會及時開展對于偏差的計算工作，最終明確變壓器頻率變動只，與此同時，為了能夠進一步提升其控制成效，閾值設定在±4Hz范圍內(nèi)，盡量減少由于調節(jié)過大所帶來的負面影響，高效開展風機風量變頻控制工作。研究人員應當科學進行上位機的設計，人機界面可以完整地展現(xiàn)出人同系統(tǒng)交流的過程，其最主要的功能便在于顯示相關參數(shù)，與此同時，上位機可以存儲各種設備的實際運行數(shù)據(jù)，例如變頻器、風門以及風機等等。

針對上位機而言，其組態(tài)系統(tǒng)總共有4部分所構成，分別為網(wǎng)絡配置、報警設置、腳本程序以及畫面組態(tài)，畫面組態(tài)主要涉及到報警顯示、報表控制以及風機運行等界面。系統(tǒng)能夠根據(jù)風量以及運行狀態(tài)在時間推移中所呈現(xiàn)出的變化曲線繪制曲線，為后續(xù)所開展的對比研究提供相應的參考。報警系統(tǒng)的應用能夠實現(xiàn)對于多樣化復雜參數(shù)的合理監(jiān)測，具體包括風機復壓、風流量以及速度等等，結合實現(xiàn)所設定的閾值明確其報警范圍，一旦其所檢測到的數(shù)據(jù)沒有處在正常的范圍之內(nèi)，系統(tǒng)便會及時發(fā)出警報，同時將故障燈亮起，以及時提醒工作人員。工作人員需要全面開展對于變頻控制系統(tǒng)的研究，根據(jù)事先所明確的給風量進行設定，向上位機組態(tài)軟件對風量進行輸入，進而支撐系統(tǒng)的正常運行。結合系統(tǒng)反饋的相關數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，其頻率值是25.5Hz，當控制器輸出頻率逐漸提升的過程中，風量也會呈現(xiàn)出上升的狀態(tài)直到每分鐘7500立方米，但因為其面臨一定滯后性，這便會使其風量沒有處在給定值方位內(nèi)，進而降低其所顯示的輸出頻率。當風量處在每分鐘7500立方米時，變頻器數(shù)值則會始終維持在25.5Hz，由此可見該風機變頻系統(tǒng)的應用能夠符合預期要求。

3.4 軟件設計

3.4.1 系統(tǒng)程序設計

針對整體的控制系統(tǒng)而言，軟件程序在其中是至關重要的靈魂所在，直接關系到系統(tǒng)能否實現(xiàn)更加安全可靠的運行。在對本系統(tǒng)進行程序設計之前，相關工作人員應當線全方位探究礦井主通風系統(tǒng)的各方面控制要求以及具體的工藝過程，因為其控制系統(tǒng)本身具有一定的復雜性，所以最終決定使用結構化編程的方式針對整個系統(tǒng)的程序進行編寫。

本系統(tǒng)的程序設計主要是根據(jù)結構化編程的理念，對整個控制系統(tǒng)進行細化分解，使其以諸多自控制系統(tǒng)模塊的形式呈現(xiàn)出來，主程序在執(zhí)行階段，僅僅是基于特定的邏輯實現(xiàn)度多樣化子系統(tǒng)程序塊的調用，繼而高效監(jiān)控礦井的主通風系統(tǒng)，并采取相應的控制措施，這種編程結構有著更加清晰明確的特點，能夠在原有的基礎上節(jié)省在編程工組中所浪費的時間，并且可以提升CPU處理效率。兩臺風機分別采用自動和手動兩種方式進行控制，在使用手動控制方式的過程中基本上是根據(jù)人工控制的流程，一旦礦機產(chǎn)生在編事故同樣需要使用手動的控制模式。當處在自動控制模式下，工作人員需要對所要啟動的風機機型選擇，繼而進入到風門控制程序當中，控制風門的開關，接下倆便要對單雙級模式進行選擇，從具體的風量要求出發(fā)實現(xiàn)對于變頻器的啟動。在啟動完成之后便需要進入到頻率給定程序當中，結合實際情況對變頻器的運行頻率進行合理設定。針對變頻器當前是否處在故障狀態(tài)展開監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)其存在故障，故障變自動復位，如果不存在故障則變頻運行。模擬量采集程序能夠獲取具體的風機電動機參數(shù)，并向上位機進行傳輸，實現(xiàn)對于風機故障的精確判斷，如果不存在故障便進行運行，如果存在故障，則需要及時采用備用風機，依然使用相同的控制流程對備用風機進行控制。

3.4.2 系統(tǒng)子程序設計

從本質上來看，礦井生產(chǎn)的過程是動態(tài)化的，而風機風量在生產(chǎn)過程中不可避免地會受到多方面因素的影響，無論是工作面位置變化、風窗調節(jié)還是巷道布局等均會在一定程度上對固有的通風阻力造成改變，一旦發(fā)生通風阻力的變化便會使得其最佳工況點產(chǎn)生變化，在本系統(tǒng)中，為了能夠進一步促進風機運行效率的提升，充分同井下風量的實際要求相符合，采用了PID算法對風機的風量進行控制?，F(xiàn)階段在工業(yè)控制領域經(jīng)常會應用PID控制算法，其本質上其實是一個閉環(huán)控制算法，在本系統(tǒng)中主要是采集采風機入口風量，繼而根據(jù)預設的目標值同反饋的風量進行比較計算，這樣便可以方便工作人員對調節(jié)能否符合預期進行合理判斷，如果沒有達成目標便需要對其是正反饋還是負反饋進行反饋，科學計算差值實現(xiàn)自動化調節(jié)，以充分滿足預先所設定的目標。

工作人員需要針對偏差展開比例、積分以及微分計算，計算公式如下：

在上述公式中的K所表示的為比例增益，e(t)是反饋信號和給定信號之間的差值，T代表的是積分時間常數(shù)，而T則指的是微分時間常數(shù)。

4 結論

綜上所述，優(yōu)化開展自動化控制系統(tǒng)設計工作能夠有效提升礦井主通風機的自動化運行效果。因此，相關研究人員應當加強對于自動化控制技術的應用，科學進行硬件和軟件的設計，充分發(fā)揮出其自動化調節(jié)的優(yōu)勢保障礦井生產(chǎn)環(huán)境的安全性。