煤礦通風(fēng)機(jī)智能變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀慧龍

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西晉城048000）

由于提升了井下綜采作業(yè)的有關(guān)技術(shù)，增加了巷道的長(zhǎng)度與綜采作業(yè)的深度，井下的氣流沒有較好的流通性，就會(huì)對(duì)綜采作業(yè)是否安全有很大影響。礦井通風(fēng)系統(tǒng)的作用就是將新鮮空氣不間斷地輸送到井下，并排除所有有害氣體與粉塵，井下綜采作業(yè)是否安全也是由礦井通風(fēng)系統(tǒng)是否可靠與安全所決定的?，F(xiàn)在，礦井通風(fēng)系統(tǒng)使用的運(yùn)行模式是不間斷、連續(xù)的模式，可是因?yàn)榭刂颇Ｊ揭稽c(diǎn)也不先進(jìn)，所實(shí)施的控制也不是智能化的，反應(yīng)速度比較慢、有比較高的功耗、調(diào)速性能比較差，不能使安全通風(fēng)這一要求得到滿足。在本文中，將新型礦井通風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)提出來，并分析了其控制邏輯、通風(fēng)系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)等。

1 分析礦井通風(fēng)系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)

由于要對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠通風(fēng)的需求進(jìn)行滿足，第一步要做的就是調(diào)整其結(jié)構(gòu)，將閉環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行增加，可以很好的判斷與智能監(jiān)測(cè)井下的空氣情況，進(jìn)而自動(dòng)將數(shù)據(jù)方面的信息進(jìn)行分析與更新，第二步就是將變頻控制器加設(shè)到系統(tǒng)中，變頻控制器可以靈活控制通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，可以對(duì)情況不同時(shí)靈活通風(fēng)方面的有關(guān)需求進(jìn)行滿足，圖1就是變頻通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 變頻通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1中能夠發(fā)現(xiàn)，使用到通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)中的控制結(jié)構(gòu)是模塊化的，直接把其輸送至控制中心，并且控制中心與巷道中氣體情況相結(jié)合，來判斷風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況。進(jìn)而將轉(zhuǎn)換信息發(fā)出來，直接把調(diào)整信號(hào)輸送至變頻器中，在對(duì)變頻器的輸出進(jìn)行控制，就可以很好的調(diào)整通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況的動(dòng)態(tài)。

2 監(jiān)測(cè)邏輯與控制

由于要對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠通風(fēng)的需求進(jìn)行滿足，而對(duì)操作臺(tái)控制、就地控制、上位機(jī)控制進(jìn)行了設(shè)置，可以在情況不同時(shí)，就控制方式進(jìn)行選用，使系統(tǒng)控制更加靈活。通常用上位機(jī)控制來將系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行完成，使用到調(diào)試系統(tǒng)階段的是操作臺(tái)控制，在有緊急狀況出現(xiàn)在井下時(shí)，所使用的控制就是就近控制。

由于要對(duì)固有控制方案在風(fēng)門對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)降低了控制準(zhǔn)確度的問題進(jìn)行解決，而將變頻器調(diào)節(jié)引入進(jìn)來，使所調(diào)整的風(fēng)量更加準(zhǔn)確與自動(dòng)。當(dāng)運(yùn)行控制階段時(shí)，傳感器設(shè)備會(huì)收集現(xiàn)場(chǎng)和風(fēng)機(jī)的所有信息，進(jìn)而把所收集到的信息輸送至PLC 控制中心，充分利用控制邏輯來分析，且控制邏輯是之前就進(jìn)行設(shè)置好的，這樣就可以把井下通風(fēng)所處的環(huán)境與風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況直接在控制中心上進(jìn)行顯示，對(duì)人員的監(jiān)控有很大幫助；還可以預(yù)警和標(biāo)示數(shù)據(jù)中的異常部分，對(duì)工作人員充分了解與分析煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)與運(yùn)行狀況有很大幫助，使通風(fēng)系統(tǒng)更加可靠與穩(wěn)定。

因?yàn)榫颅h(huán)境變化比較大，所以，為了確保準(zhǔn)確調(diào)整其通風(fēng)情況，而對(duì)PID閉環(huán)控制邏輯進(jìn)行了引入，圖2就是其通風(fēng)系統(tǒng)閉環(huán)控制邏輯示意圖。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)閉環(huán)控制邏輯示意圖

在控制定值被PLC控制系統(tǒng)所給出之后，讓PID控制模塊來分析。繼而在和通風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)所得出的結(jié)果相結(jié)合，并對(duì)比這2種數(shù)據(jù)，偏差量就可以獲取了，在按照已設(shè)置好的修整邏輯，來修正數(shù)據(jù)的狀態(tài)，將已經(jīng)優(yōu)化的調(diào)節(jié)控制邏輯直接輸出至變頻器，這樣使其調(diào)節(jié)的更加準(zhǔn)確。

3 通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的硬件控制

由于煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的環(huán)境不簡(jiǎn)單，在穩(wěn)定性的控制方面有很高的要求，所以，為了將通風(fēng)機(jī)智能變頻控制在安全方面的要求進(jìn)行滿足，對(duì)可編程控制器進(jìn)行了使用，且可編程控制器的型號(hào)是S7-412-5H，其所使用的設(shè)計(jì)特征是冗余的CPU 結(jié)構(gòu)，可靠性非常高，若有故障出現(xiàn)在運(yùn)行中，那么其有關(guān)數(shù)據(jù)就會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)傳輸至控制器中，且控制器是備用的，并由該控制器來將主CPU的有關(guān)工作進(jìn)行接替，確保其控制更加穩(wěn)定。圖3就是通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速硬件控制流程圖。

圖3 通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速硬件控制流程圖

在此通風(fēng)控制系統(tǒng)中，最主要的就是變頻控制器，主要是對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行控制，進(jìn)而來智能調(diào)整井下的風(fēng)壓、風(fēng)速、風(fēng)量。由于要對(duì)其操作臺(tái)控制、就地控制與上位機(jī)控制中的有關(guān)需求進(jìn)行適應(yīng)，并選取工業(yè)以太網(wǎng)高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來控制通信模塊與變頻器，該系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠嘘P(guān)需求得到滿足，數(shù)據(jù)的傳輸是大容量與高速的，將DP通信接口使用到所有數(shù)據(jù)接口位置，所具有的優(yōu)點(diǎn)是比較高的通信效率、較大的數(shù)據(jù)傳輸量。

所使用的變頻器是無諧波變頻器且是西門子的，可以與數(shù)據(jù)控制中心連通、較高的可靠性、可以自動(dòng)調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)的有關(guān)需求進(jìn)行滿足，能夠?qū)⒆冾l控制時(shí)的不利轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與諧波進(jìn)行消除，使其控制更加可靠與穩(wěn)定。

4 通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在該通風(fēng)系統(tǒng)中，其運(yùn)行具有可靠性的中心就是檢測(cè)井下通風(fēng)情況與風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況所具有的可靠性，所以，將傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)置在此通風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)內(nèi)，且傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)是比較完善的，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下巷道所處環(huán)境、通風(fēng)機(jī)、上位機(jī)、通風(fēng)系統(tǒng)。此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以自動(dòng)分析與調(diào)整接收的所有數(shù)據(jù)信息，并把所有數(shù)據(jù)用柱狀圖、曲線圖、圖表等形式進(jìn)行顯示，且將顯示到上位機(jī)中的控制中心中，并以所顯示的數(shù)據(jù)，來促進(jìn)操作人員對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，更具有直觀性。

由于要對(duì)可靠性的監(jiān)測(cè)的有關(guān)需求進(jìn)行滿足，最大程度地將監(jiān)測(cè)時(shí)所產(chǎn)生的誤差降低，使所布置的所有傳感器的具體的分析更加準(zhǔn)確，就決定將電壓、電流傳感器，振動(dòng)、溫度傳感器等設(shè)置到驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所處的運(yùn)行情況，將一氧化碳濃度傳感器、粉塵傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯仍O(shè)置在綜采面中沒有較強(qiáng)空氣流動(dòng)的位置，可以使所監(jiān)測(cè)的所有信息更加準(zhǔn)確。服務(wù)器可以將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所接收的所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行儲(chǔ)存，使數(shù)據(jù)的查詢更加方便，若有異常出現(xiàn)，那么數(shù)據(jù)系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警并自動(dòng)調(diào)整異常的狀態(tài)，經(jīng)過優(yōu)化風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，來使井下通風(fēng)更加安全。圖4就是通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)在，不少煤礦中都使用了通風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)，按照監(jiān)測(cè)得知，通風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)可以降低調(diào)速控制時(shí)間，從22.7s 下降到2.6s，大概下降了88.4%。當(dāng)進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，可以降低每天的平均耗電量，從1149.3kW·h 下降到878.1kW·h，大概降低了23.6%，使其運(yùn)行更加可靠與穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

現(xiàn)在的通風(fēng)系統(tǒng)中無較快的反應(yīng)速度、有比較高的功耗、調(diào)速性能比較差的問題不能使安全通風(fēng)這一要求得到滿足。因此，在本文中，將新型礦井通風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)提出來了，并分析與研究了其控制邏輯、通風(fēng)系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）將操作臺(tái)控制、就地控制及上位機(jī)控制設(shè)置在系統(tǒng)中，可以按照情況的不同，來對(duì)控制方式進(jìn)行靈活選用，使系統(tǒng)控制更加靈活；

（2）在系統(tǒng)中，最核心的就是PID 閉環(huán)控制與變頻器控制，可以按照巷道中實(shí)際環(huán)境，來對(duì)其通風(fēng)情況進(jìn)行靈活調(diào)整；

（3）該系統(tǒng)可以降低調(diào)速控制時(shí)間與運(yùn)行耗電量，并分別下降了88.4%、23.6%。