煤礦自動化通風控制系統優化設計改造*

毛紅衛

(山西公信安全技術有限公司，山西 太原 030031)

0 引 言

煤礦通風系統是保障煤礦安全生產和運營的重要組成部分。隨著煤礦開采量的不斷增加及煤礦開采環境的不斷惡劣，人工手動控制的煤礦通風系統自動化水平低、安全性不高、能耗大等一系列問題越來越無法滿足實際生產需求[1]。井下環境復雜惡劣，迫切需要引進自動化控制技術來解決人工控制方式下的各種問題。自動化控制技術是指利用計算機控制技術、微控制技術，同時借助傳感器檢測技術、多種通信技術等對實際生產設備及工作環境進行監測、智能分析與處理，并實現有效控制的綜合應用技術[2-3]。筆者提出一種基于PLC控制器的煤礦自動化通風控制系統設計方案，借助上位機組態技術、PLC控制技術、變頻調速技術、傳感器檢測技術、通信技術等實現了煤礦通風系統的自動化控制，節省了人力物力，極大地改善了井下空氣環境。

1 煤礦通風系統總體架構設計方案

西山煤電西曲礦井下通風系統之前采用人工手動控制方式進行通風控制，工作人員需時刻關注井下各種環境參數變化，通過判斷進行操作，自動化水平低。此次改造將自動化控制技術引入原有煤礦通風系統，優化改造系統總體架構如圖1所示。

圖1 煤礦通風自動化控制系統總體架構

整個自動化控制系統由遠程控制中心、傳感器檢測單元、變頻器調速單元、PLC主控制單元、改造通風設備單元、聲光報警單元、CAN總線通信單元、工業以太網等組成。其中，傳感器檢測單元負責對井下環境信息進行精準的測量；變頻調速單元負責對通風設備進行變速調節；聲光報警裝置負責進行超限報警；PLC主控制單元負責對傳感器檢測單元傳輸的環境信息進行轉換處理、智能分析，同時上傳給遠程控制中心。通過相互配合，該自動化控制系統可通過對井下環境信息的監測實現通風系統的自動化控制、風量的按需調節。

2 設計方案的實施及應用

2.1 PLC主控制器單元選型

PLC主控制器單元是煤礦通風系統實現自動化控制的關鍵設備，在系統中承擔著以下功能：①將傳感器采集的井下環境數據上傳給遠程控制中心進行智能處理；②執行遠程控制中心下達的控制指令，對變頻器進行頻率調節，最終實現電動機的轉速調節。PLC主控制器單元由PLC主控制器、EM235模塊、EM232模塊組成。其中，PLC主控制器可采用S7-300系列PLC；EM235模塊負責對傳感器采集的數據進行A/D轉換，成為PLC可以接受的數據信號；EM232模塊負責對變頻器進行控制。系統中PLC主控制器單元采用一主一備兩套設備進行互為備用，提高了系統的穩定性。

2.2 傳感器檢測單元設計與應用

在煤礦通風系統中實現自動化控制的前提是對井下進行精準測量，包括通風機的風量以各種環境信息，通過在巷道中放置各種傳感器的方式來實現。

傳感器檢測單元由各類礦用傳感器組成，包括粉塵傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氧氣傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、風壓傳感器、風量傳感器、甲烷傳感器等。傳統煤礦通風系統監測數據量少、監測范圍小、監測信息類別不全面。在自動化控制系統中，對傳感器檢測單元中的傳感器類型進行全面選擇，監測覆蓋范圍達到可檢測井下任何需求環境信息，監測的數據將為系統實現自動化控制提供分析參考。系統中傳感器采用頻分制作為傳輸數據信號的方式，該傳輸方式電路構造簡單、穩定性高且不易發生故障[4]。

2.3 變頻器調速單元設計與應用

變頻調速技術在通風系統中的應用主要是改變了傳統電機采用電磁調節轉速的方式，僅僅通過改變頻率便可實現電機轉速調節，降低了通風系統電機的能耗；變頻調速方式同時可對電機轉速實現精準調節和按需調節，利用PLC主控制器便可實現，變頻調速方式還能實現電機的軟啟動，延長了電機的使用壽命。因此，變頻調速單元是通風系統實現自動化控制的重要技術之一。

煤礦通風設備屬于大功率機械，故選用高壓變頻器，采用交-直-交工作方式，變頻器的主電路開關元件為IGBT，采用多功率單元串聯，疊波升壓的方式。通過PLC主控制器可對變頻器調速單元進行啟停控制，通過不同的頻率給定控制指令，可實現風量的按需調節。

2.4 通風系統風量調節方式的優化設計

煤礦自動化控制通風系統實現風量的按需調節通過以下兩種途徑來實現：①通過調節通風機異步電動機的轉速實現。可通過對變頻調速單元的設置改變輸出頻率來實現轉速調節。或者也可實現定時自動控制，加設爆破開關實現自動通風；②通過改變風門或百葉窗的角度的角度實現。利用頻率發送器實時監測風門和百葉窗葉片的狀態信息并上傳給遠程控制中心，遠程控制中心將根據井下實際需求下達控制指令，來轉動風門或葉片實現風量的調節。為保證通風系統的穩定和可靠，通風設備在系統設計過程中采用一用一備的工作方式。

3 遠程控制中心設計與應用

遠程控制中心是整個系統的首腦，以分散監測與集中控制為原則。在自動化控制系統中，所有基于井下環境監測到的信息數據都要上傳到遠程控制中心統一管理，經過智能分析與集中處理后，由遠程控制中心下發控制指令對執行設備進行控制。系統采用適用于工業級別的工控機作為遠程控制中心的核心設備，該工控機具有豐富的擴展接口，可外接多種設備，同時工控機中開發了集監測、通信、智能分析與處理、控制等功能于一體的組態軟件。

遠程控制中心的具體工作就是采集、分析與處理傳感器檢測到的井下信息，根據處理結果對風機進行轉速調節，實現按需排風。同時還具備故障報警功能，當監測信息超限時，會發出報警提醒工作人員采取相關措施處理緊急情況。通過工控機中的組態軟件，各類傳感器采集到的環境信息、風量大小及風機運行狀況都可以通過曲線的方式展現給工作人員。通過對曲線變化趨勢的分析，工作人員能夠準確的掌握通風系統的工作狀態，為下達具體控制指令提供參考。

4 實際應用效果分析

目前，所設計的煤礦通風自動化控制系統已經應用到西山煤電西曲礦井下通風系統上，呈現了很好的效果。下面對人工手動控制方式下和自動化控制方式下兩種情況的通風效果進行對比，如表1所列，應用效果實際測試時間為1 h。

表1 兩種控制方式下空氣中物質含量對比 /%

從表1可以看出，井下通風系統采用自動化控制技術后，井下空氣環境中物質含量發生了明顯的變化，煙霧、粉塵、有毒氣體等的含量都有明顯的下降，而氧氣含量有了一定的上升，表明井下空氣環境在采用自動化控制技術后得到一定的改善與凈化。

5 結 語

針對傳統煤礦通風系統存在的問題與不足，將自動化控制技術引入到煤礦通風系統當中，經過優化改造后的通風系統可實時對井下環境信息、風量及通風設備運行狀態進行監測，便于掌握整個煤礦的井下狀況，根據監測結果利用變頻調速技術控制風機可實現風量的按需自動調節，傳感器檢測技術的應用提高了排風的效率。總之，自動化控制技術的應用實現了煤礦通風系統的集中化監測與控制，促進了通風系統的全方位升級，實現了無人監控，極大地改善了井下空氣環境，可大力推廣并廣泛運用。