礦井主要通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

魏守仁

（大同煤礦集團(tuán)華盛萬(wàn)杰煤業(yè)有限公司， 山西 河津 043300）

引言

在生產(chǎn)過(guò)程中，礦井主要通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)受到很多因素的影響，這些影響因素都會(huì)給數(shù)據(jù)的采集帶來(lái)誤差[1]。其主要問(wèn)題有：在冬天由于溫度的降低會(huì)造成管路的冰凍阻塞，這妨礙了在線監(jiān)控系統(tǒng)壓力信號(hào)的傳遞；引壓管路上的開(kāi)孔位置出現(xiàn)偏差也會(huì)引起井下風(fēng)壓和風(fēng)量的變化，使數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；同時(shí)變頻器產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)電源有一定程度的影響，妨礙電源信號(hào)的傳遞以及準(zhǔn)確性；同時(shí)由于某些地方螺栓未擰緊等，還會(huì)使信號(hào)中斷。因此，需要對(duì)礦井主要通風(fēng)在線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 防凍設(shè)計(jì)

由于氣候原因，煤礦井下的溫濕度在各個(gè)季節(jié)會(huì)有所不同。在冬季時(shí)，由于地面溫度低，井下的溫度要比井上的溫度高，濕度也是如此。因此當(dāng)井下風(fēng)流從出風(fēng)井排到地表時(shí)，因?yàn)榈乇頊囟缺染聹囟鹊?，所以風(fēng)流中的水蒸氣會(huì)發(fā)生液化，產(chǎn)生許多小液滴，當(dāng)?shù)乇頊囟鹊陀谒慕Y(jié)冰點(diǎn)0℃時(shí)，水蒸氣不會(huì)出現(xiàn)液化，而是直接凝固，開(kāi)始結(jié)冰。在先前監(jiān)測(cè)風(fēng)壓時(shí)，通常是將測(cè)量風(fēng)壓的壓力傳感器放置在監(jiān)控室里，而由于測(cè)量風(fēng)壓的取樣點(diǎn)與監(jiān)控室存在一定距離，因此一般會(huì)在它們之間設(shè)置有一段引壓管，并和電纜一起鋪設(shè)在地溝里，由于這個(gè)地溝的存在，整段引壓管的位置并不是完全處于同一水平面上，它的中間位置比較低，而兩端比較高。當(dāng)含有較多水分的井下空氣被抽出時(shí)，一旦經(jīng)過(guò)該引壓管的中間位置，水蒸氣就會(huì)遇冷發(fā)生凍結(jié)，從而阻塞引壓管，使井下空氣無(wú)法抽出，監(jiān)控系統(tǒng)不能對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行測(cè)量[2-3]。

為了解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)壓接線盒，以防止引壓管發(fā)生阻塞，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該風(fēng)壓接線盒使用電信號(hào)進(jìn)行傳輸，摒棄了使用壓力進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆椒ǎ瑴p少了引壓管的輸送長(zhǎng)度，使整段引壓管都處于同一水平面上，不會(huì)再出現(xiàn)中間低的情況，使風(fēng)壓信號(hào)可以穩(wěn)定地進(jìn)行傳遞。即使在實(shí)際應(yīng)用中，由于其他原因?qū)е铝艘龎汗馨l(fā)生冰凍，也比較容易排查故障原因，并對(duì)故障采取解決措施。其風(fēng)壓接線盒的具體安裝位置和連接方式為：在安裝該接線盒時(shí)，應(yīng)在風(fēng)機(jī)外殼附近找一個(gè)方便位置進(jìn)行安裝，可以將其懸掛，也可以直接固定在安裝點(diǎn)[4]。安裝好接線盒后，應(yīng)將引壓管的一端連接在接線盒的引壓管孔上，而另一端則連接在壓力傳感器上，此時(shí)壓力傳感器將電信號(hào)輸出到端子排，并通過(guò)電纜和集控室的機(jī)柜相連接。

圖1 接線盒機(jī)構(gòu)示意圖

接線盒很好地對(duì)引壓管進(jìn)行了防凍設(shè)計(jì)，防止了引壓管的冰凍阻塞，同時(shí)該接線盒還起到了一個(gè)中轉(zhuǎn)站的作用，將各種信號(hào)連接到了控制柜上。這樣可以將多種輸送信號(hào)的電纜線進(jìn)行集中管理，改善了由于采樣點(diǎn)較多，且分布復(fù)雜而造成的電纜線難管理的情況。而且一旦出現(xiàn)問(wèn)題，也方便維修工人進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和故障檢查。

2 一鍵倒機(jī)設(shè)計(jì)

在井下通風(fēng)機(jī)以及配套的電機(jī)等出現(xiàn)問(wèn)題的情況下，不應(yīng)該使井下風(fēng)機(jī)以及電機(jī)繼續(xù)工作，而應(yīng)該進(jìn)行倒機(jī)操作，但是在倒機(jī)時(shí)，步驟較多且操作較難，同時(shí)必須遵守相關(guān)規(guī)定，按照一定的次序來(lái)操作，操作次序如圖2所示。

圖2 礦井主要通風(fēng)機(jī)倒機(jī)順序示意圖

圖2-1和圖2-2分別顯示的是軸流式風(fēng)機(jī)和離心式風(fēng)機(jī)的倒機(jī)順序。對(duì)于軸流式風(fēng)機(jī)倒機(jī)來(lái)說(shuō)，正確的倒機(jī)順序應(yīng)該是，1號(hào)風(fēng)機(jī)先關(guān)閉，然后1號(hào)風(fēng)門再關(guān)閉，接下來(lái)2號(hào)風(fēng)機(jī)關(guān)閉，最后2號(hào)風(fēng)門關(guān)閉。一旦1號(hào)風(fēng)機(jī)與1號(hào)風(fēng)門的關(guān)閉順序顛倒時(shí)，整個(gè)井下通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力會(huì)瞬間增加，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)軸流式風(fēng)機(jī)造成較大的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電機(jī)。而當(dāng)2號(hào)風(fēng)機(jī)與2號(hào)風(fēng)門的開(kāi)啟順序也發(fā)生顛倒時(shí)，也會(huì)造成類似問(wèn)題的出現(xiàn)。而對(duì)于離心式風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，如果2號(hào)風(fēng)門先開(kāi)啟，然后2號(hào)風(fēng)機(jī)再開(kāi)啟，則會(huì)使風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的載荷過(guò)大，此時(shí)要想開(kāi)啟電機(jī)，則需要較大的電流來(lái)進(jìn)行啟動(dòng)，而這會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成極大的破壞。

由于以上操作程序的復(fù)雜性，一旦操作人員不熟悉該流程時(shí)，很容易就造成了操作程序混亂的情況，從而影響風(fēng)機(jī)和電機(jī)等設(shè)備的使用，因此有必要對(duì)這一操作進(jìn)行簡(jiǎn)化。故從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，編寫了“一鍵倒機(jī)”的程序。在操作時(shí)工作人員只需按一個(gè)按鈕即可，該程序就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行所有的操作步驟，并將操作的進(jìn)度實(shí)時(shí)反映在操作界面上。

3 變頻器控制及濾波設(shè)計(jì)

3.1 變頻器節(jié)能原理

變頻器電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)的頻率和極對(duì)數(shù)有關(guān)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如公式（1）所示：

式中：n0為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；f0為電流的頻率；而p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，由電機(jī)本身所決定的。

公式（2）和公式（3）則表示了風(fēng)機(jī)的比例關(guān)系，如下所示：

式中：Qvp、np以及Pvp分別表示原型的流量、轉(zhuǎn)速和功率；而Qvm、nm以及Pvm分別表示模型的流量、轉(zhuǎn)速和功率。

由以上公式可得，電機(jī)的流量與電流的頻率成正比例關(guān)系，而風(fēng)機(jī)損耗的功率則與電流的三次方成正比例關(guān)系，因此在井下風(fēng)量充足的情況下，對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)可以很好地節(jié)約能源。

3.2 變頻器控制設(shè)計(jì)

由于目前礦井主要通風(fēng)機(jī)在進(jìn)行調(diào)速時(shí)都采用變頻系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速，因此在原有的系統(tǒng)上，對(duì)變頻器增加了一個(gè)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 變頻器監(jiān)控系統(tǒng)圖

在該監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，例如：變頻器的相關(guān)參數(shù)（電壓、電流、功率等）會(huì)實(shí)時(shí)顯示在控制界面上，便于工作人員對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)同時(shí)以曲線和表格兩種方式呈現(xiàn)，直觀明了，而且一旦一些重要參數(shù)值超過(guò)了正常值的范圍，該監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)還可以進(jìn)行報(bào)警，以便工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。該監(jiān)控界面還可以進(jìn)行一些遠(yuǎn)程遙控，完成對(duì)變頻器的開(kāi)關(guān)等動(dòng)作，除此之外，該監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)還可以保存一些重要參數(shù)，以便出現(xiàn)故障時(shí)，可以詳細(xì)地對(duì)故障原因進(jìn)行分析，同時(shí)還可以對(duì)變頻器的工作狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.3 抗干擾設(shè)計(jì)

變頻器在改變電機(jī)工作下的電源頻率時(shí)，輸入端是通過(guò)不連續(xù)的脈沖的方法來(lái)獲得能量的，這種電流會(huì)形成脈動(dòng)壓降，使電網(wǎng)的電壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致在電網(wǎng)上工作的其他用電設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，影響其正常使用。而輸出端輸出的則是PWM矩形電壓波，這種電壓波的極性是不變的，而且寬度各不相同，因此這種電信號(hào)會(huì)在附近的空間內(nèi)發(fā)出強(qiáng)烈的電磁干擾，從而發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，影響其正常輸出。

為解決上述問(wèn)題，可以在變頻器的入口與出口端安裝LC濾波電路；或者在整個(gè)變頻器系統(tǒng)中采用具有屏蔽功能的信號(hào)線，將動(dòng)力系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的電源分開(kāi)，避免相互干擾；或者采用抗干擾能力較強(qiáng)的監(jiān)控模塊，如泓格系統(tǒng)監(jiān)測(cè)模塊；或者采用復(fù)雜濾波算法對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行加工，以增強(qiáng)變頻器的抗干擾能力[5-6]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)礦井主要通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行上述改進(jìn)，對(duì)于北方煤礦來(lái)說(shuō)，很好地解決了冬季風(fēng)壓測(cè)量不準(zhǔn)確、引壓管冰凍阻塞的問(wèn)題，而且設(shè)計(jì)了“一鍵倒機(jī)”程序，簡(jiǎn)化了操作步驟，同時(shí)在變頻器的調(diào)速系統(tǒng)中加入了監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，可以對(duì)變頻進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，隨時(shí)掌握變頻的動(dòng)態(tài)。基于以上改進(jìn)措施，礦井主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定，礦井主要通風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性都得到了大大提高。