礦用通風機控制系統性能改進分析

張 超

（西山煤電馬蘭礦，山西古交 030200）

0 引言

隨著國家對煤礦開采力度的逐漸增大，以及對煤礦作業安全的逐步提升，要求所有的煤礦設備需具有更加穩定可靠的綜合性能。礦用通風機作為煤礦設備中的關鍵設備，保證其具有較高的控制性能及運行穩定性，已成為當下煤礦企業提高通風機運行效率及運行安全的重要關注方向[1]。由于井下環境的惡劣性，加上通風機長時間運行，且現有控制技術時刻出現不斷提升狀態，導致現有的通風機控制系統在一定程度上已無法滿足當下通風機的控制需求，因此，有必要對現有通風機控制系統開展提升研究。

在通風機控制系統結構組成分析基礎上，通過對控制系統中PLC控制模塊、變頻器、通訊連接、PID閉環調節等方面進行設計分析，開展了控制系統中硬件系統及軟件系統的設計研究，并將其在FBD型通風機上進行了應用測試。測試結果表明，該控制系統運行更加穩定可靠，能更好地滿足礦用通風機的使用需求。所開發的控制系統能降低通風機設備的故障概率及維修費用支出，具有一定的市場推廣價值。

1 通風機控制系統特點

礦用通風機作為井下作業中的重要設備，其通風機系統一般包括了主通風機及輔助通風機，并設置有1個進風口和2個出風口[2]。現有的通風機結構基本相同，主要包括一級葉輪、二級葉輪、集流器、擴壓器、整流罩、消音器等設備。在現有通風機結構基礎上，已廣泛將控制系統應用到通風機設備上。目前，通風機上的控制系統主要由各類傳感器、通風機、PLC控制模塊、配電柜、顯示界面、變頻器等部分組成[3]。其中，由溫度傳感器、電量采集模塊、變頻器及其他傳感器共同組成了監控系統的現場測量級，可快速完成對通風機運行過程中溫度變化、振動情況、通風量、通過速度等參數的快速檢測及遠程控制。在整個控制過程中，首先通過前端的各類傳感器對通風機運行過程中的各類參數信息進行數據檢測，并將檢測的數據信號通過通訊模塊，快速傳遞至PLC控制模塊中，完成數據信號的快速分析和處理；之后將分析處理后的信息在顯示界面中進行實時顯示，針對通風機運行過程中出現的各類故障信息，及時發出相應的報警提示，并執行相應的安全切斷設備運行等命令。

2 硬件系統設計

2.1 PLC控制模塊匹配設計

PLC作為市場上較為成熟的控制模塊，憑借其較高的采集精度和較快的運行速度，在各大控制系統領域中得到了廣泛應用。PLC控制模塊是整個監控系統的核心部分，保證其具有較高的信號運算速度及運算精度，較高的井下環境適應性和較長時間的運行壽命，是保證整個監控系統的關鍵。因此，結合通風機運行特點，選用了SIMATIC S7-200系列的PLC控制模塊，其結構包括CPU模塊、存儲卡、通訊接口、輸入/輸出端口、I/O接口、電源接口等部分[4]。PLC的結構框架圖如圖1所示。其中，CPU模塊的數字量輸入為24路，數字量輸出為16路，接口采用了2個RS-485進行設計，整體具有較快的處理速度；PLC中的以太網模塊主要采用了CP243-1型號，可實現與上機位的數據交互，工作電壓采用24 VDC，接口采用RS45，整體的傳輸速度達到了10/100 Mbit/s，可通過STEP7編程界面進行程序的修改與更新。由此，完成了PLC控制模塊的匹配設計。

圖1 PLC控制模塊結構框架圖

圖2 變頻器現場布局圖

2.2 變頻器匹配設計

現有井下通風機系統中，一般配備了2臺通風機設備，分別為主通風機、輔助通風機，每臺通風機一般分為單級運行及多級運行。因此，在每臺通風機前面安裝了1個變頻器，總共包括4個，具體結構布局圖如圖2所示。要求電機在運行時實現同時啟動及停止等操作命令，其變頻器也需滿足此操作命令要求[5]。因此，變頻器選用了ABB公司生產的ACS800-04P型號，該變頻器主要由系統儲能、整流、逆變及電氣控制等部分組成，整體具有設備運行穩定、程序可編輯、控制精度高、功能強大等特點，外界的較大電壓輸入至變頻器中，經過變頻器內部的整流、逆變等操作，最終轉化為系統負載需要的交流電源，實現設備的驅動運轉。

3 軟件系統設計

3.1 通信參數通信設計

該控制系統在運行過程中，存在較多不同類型的通信參數，主要包括PLC中的CPU與變頻器、PLC中模擬量模塊、溫度巡檢儀、電量模塊等部件之間的通信參數，這些通信參數以485+、585-為主，通過Modus總線進行通訊連接；另一部分通訊參數則包括上機位工控機與上機位軟件之間的通信參數，主要通過以太網通訊模塊進行以太網通訊連接，較好地實現了控制系統內部的通訊設計[6]，保證了通信信號能滿足通風機的控制需求。通風機通訊連接網絡圖如圖3所示。

圖3 通風機通訊連接網絡圖

3.2 PID閉環調節設計

由于井下生產環境為一個動態變化過程，通風機的通風量及通風阻力將隨井下環境的變化而發生變化。因此，為實現對通風機的有效控制，對該系統采取了PID調節控制。PID調節控制是一個閉環控制算法，涉及了積分、微分、比例等計算方式[7]。其中，在該PID閉環算法中，首先對通風機的通風量進行數據采集，并將其與設置的通風量閥值進行對比判斷。當采集的通風量達到了預設的風量閥值，系統則保持不變，不采取信號的自動調節；當采集值未達到預定值時，控制系統將通過PID進行自動調節，使其達到目標值。該PID閉環調節的原理圖如圖4所示。

圖4 PID閉環調節原理圖

4 應用效果分析

綜上分析，建立了礦用通風機的控制系統。為保證后期系統運行的可靠性和安全性，對該控制系統的控制性能進行了將近2個月的應用測試研究，主要將該控制系統安裝在FBD型通風機上。測試結果表明，該系統各項功能運行正常，能對通風機運行過程中的各項參數及設備運行狀態進行實時檢測和控制，整套系統運行較為穩定可靠，且所設計的PID能更加全面、準確地完成對系統的調節控制；同時，該控制系統也能針對通風機運行過程中出現的風壓過高、電機溫度過高、設備振動幅度較大等故障問題及時發出相應的報警提示，并通過上機位工控機進行實時顯示和采集對應控制措施。該系統的運用，使通風機的運行效率提高了約35%，降低了設備的故障概率和設備故障成本的支出，得到了現場作業人員的一致好評。由此，驗證了該礦用通風機控制系統具有較好的應用效果，可進行市場推廣應用。

5 結束語

不斷提升礦用通風機的通風效率，加大對通風機控制系統控制性能的提升研究，是當下煤礦企業關注的重要內容。因此，在通風機控制系統結構組成分析基礎上，開展了控制系統中硬件系統及軟件系統的設計研究，并將其在FBD型通風機上進行了應用測試。測試結果表明，該控制系統各項功能更加齊全、運行更加穩定可靠，使通風機的運行效率提高了約35%，能更好地滿足礦用通風機的使用需求，大大降低了通風機設備的故障概率及維修費用支出，得到了現場作業人員的一致好評。整套系統具有一定的市場推廣價值。