綜掘工作面通風機變頻控制系統設計

李慧平

（晉能控股集團挖金灣煤業公司， 山西 大同 037003）

引言

通風機是煤礦井下關鍵性的安全保證設備，負責井上、井下空氣交換，降低工作面瓦斯等有毒有害氣體濃度，降低工作面溫度，為一線工作人員創造較好的工作環境。目前，煤礦井下通風機一般采用恒轉速控制，即通風機啟動后，按照一定的轉速運行，當瓦斯等有毒有害氣體濃度下降至安全范圍之內后，轉速仍然不變，即“一風吹”。國外通風機控制系統的發展較為迅速，如日本的三井三池、德國的Korfman、俄羅斯的BM 等通風機具有低噪聲、控制模式先進、運行方案合理、節能效果好的特點[1-3]。國內的JBT/YBT 系列通風機、斜流式/對旋式通風機具有體積小、風壓高、送風距離長的優點。但是，煤礦井下通風機控制系統還存在以下問題需要解決：運行效率低下，通風機運行效率為45%～65%之間；控制方式落后，恒速控制時電能浪費現象嚴重，變頻控制時，無法根據實際工況自動調節通風機的工作狀態；管理不合理，通風機的運行狀態與工作面設備的工作狀態分離，即巷道內無設備作業時，通風機仍處于運行狀態，存在安全隱患[4]。文章基于變頻控制、模糊控制原理對綜掘工作面用通風機控制系統進行研究，改變“一風吹”現象，保障綜掘工作面瓦斯、CO 等有毒有害氣體不超限，保障煤礦井下安全生產。

1 變頻、模糊控制原理分析

1.1 變頻控制原理

交流三相異步電動機的同步轉速可表示為式（1）：

式中：n0為同步轉速，r/min；f1為頻率，Hz；p 為極對數，為定值。即交流三相異步電動機的同步轉速與頻率成正比關系，連續改變f1，即可實現對電動機同步轉速的連續調速。

交流三相異步電動機的轉差率s 可表示為式（2）：

式中：n 為轉子轉速，r/min；則交流三相異步電動機的轉子轉速可表示為式（3）：

根據式（2）以及式（3）可知，交流三相異步電動機轉子轉速與頻率、轉差率以及極對數相關，但改變供電頻率為調速的最優方案。

1.2 模糊控制原理

模糊控制以模糊集合論、模糊語言變量、模糊推理為基礎，以語言變量描述控制規則的智能控制方法，模糊控制原理如圖1 所示。偏差e、偏差變化率ec為模糊控制器的輸入變量，經模糊量化、知識庫決策、解模糊后得到模糊控制器的輸出u，可直接作用與被控對象。

2 系統設計

煤礦井下綜掘工作面通風機控制系統整體設計原理如下頁圖2 所示，由控制器模塊、掘進深度模糊控制器、風速模糊控制器、瓦斯濃度模糊控制器、變頻器等組成。根據綜掘工作面設備分布情況以及瓦斯濃度積聚特點將瓦斯濃度傳感器、風速傳感器、溫度傳感器等布置與合適位置，并實時采集、周期性將數據發送至控制器模塊。根據掘進深度、瓦斯濃度對通風機轉速進行變頻、模糊控制，使得綜掘工作面瓦斯濃度始終限制在安全設定范圍之內。控制器模塊負責處理并接受掘進深度、風速以及瓦斯濃度模糊控制器的輸出信號，進而完成對變頻器的模糊控制，最終實現通風機按需、變頻運行。變頻器需將母線電壓、母線電流以及運行狀態、故障信息等數據反饋至控制器模塊，采用CAN 總線通信模式實現。為保證控制器對變頻器的安全、穩定控制，增加電壓信號采集單元、電流信號采集單元獲取變頻器的電壓、電流信號[5-6]。通風機運行時的實際電流信號經放大電路處理后發送至控制器。為及時掌握控制系統運行狀態，控制器模塊還需控制發光二極管、LED 顯示器等模塊。

圖2 煤礦井下綜掘工作面通風機控制系統整體設計原理

3 硬件設計

煤礦井下綜掘工作面通風機控制系統的直流電源采用Chroma 62050H-600 模塊供電。變頻器采用ABB 的ACS800-2，具有輸出電壓諧波小、頻率不受限、能量雙向流動、四象限運行的特點。2 臺通風機均采用的型號為J03-100L4 三相異步變頻電機。控制器模塊核心芯片選用TMS32028335，主頻為150 MHz，具有2×8A/D 通道，分辨率為12 位，轉換周期為80 ns，輸入量程為-3～+3 V 或者4～20 mA，數據處理能力強、浮點運算快等特點，滿足煤礦用通風機控制系統要求。選用GJC4 型瓦斯濃度傳感器，可連續監測設備附近風流中的瓦斯濃度，當環境中的瓦斯濃度達到報警設定值后，觸發聲光語音報警；當環境中的瓦斯濃度達到斷電設定值后，啟動通風機閉鎖；當環境中的瓦斯濃度回落至安全設定值后，解鎖通風機閉鎖關系并持續監測環境中的瓦斯濃度。該瓦斯濃度傳感器的測量范圍為0.00%～4.00%，響應時間小于20 s，傳輸距離小于2 km，具備瓦斯超限報警、超限閉鎖、自動解鎖等功能[7-8]。選用GFW15 本質安全型礦用智能風速檢測儀，應用超聲波原理輸出與風速對應的頻率信號并發送給控制器模塊進行處理和顯示。該風速檢測儀可測量的風速范圍為0.3～15 m/s，工作頻率為140～150 kHz，傳輸距離小于2 km，允許誤差小于±0.3 m/s。

4 軟件設計

4.1 控制器程序

煤礦井下綜掘工作面通風機控制系統軟件采用C 語言編程實現，根據變頻通風控制系統功能進行模塊劃分，具體包括初始化模塊、CAN 總線通信模塊、邏輯控制模塊、自適應調速模塊、故障處理模塊等。表1 所示為控制器與變頻器的CAN 總線通信協議。

表1 控制器與變頻器CAN 總線通信協議（部分）

4.2 監控平臺程序

煤礦井下綜掘工作面通風機控制系統軟件監控平臺如圖3 所示，主控制器與監控平臺之間通過CAN 總線通信完成數據交互。監控憑條根據定義的CAN 通信協議對接收到的數據進行解析并與本地定義變量關聯。監控平臺軟件由組態畫面、腳本程序、報警配置以及網絡配置四部分組成。在組態畫面中設計通風機運行畫面、報表查詢畫面、風量控制畫面以及報警顯示界面，實時展示通風機運行狀態[9-11]。在組態畫面中設計的動態效果由腳本程序完成，另外腳本程序還可以實現報表的存儲、查詢以及觸發報警功能等。當通風控制系統出現故障時，可根據報警設置畫面進行登錄并查詢報警內容以及報警事件。該通風系統監控平臺還提供TCP/IP 登錄客戶端，用戶可實現遠程登錄。

圖3 煤礦綜掘工作面通風機變頻控制系統監控平臺

5 結語

煤礦井下通風系統耗能大，現有通風控制系統沒有徹底解決“一風吹”現象，運行效率不高。文章基于變頻控制技術、模糊控制技術以及CAN 總線通訊技術設計并實現的煤礦綜掘工作面通風變頻控制系統，能夠根據巷道內瓦斯濃度實時值自適應調節通風機轉速，在保證瓦斯濃度保持在安全范圍的基礎上達到節能降耗的目的，為煤礦綜掘工作面高效率生產提供安全保障，具有較好的社會和經濟價值。