煤礦通風系統自動化技術的研究與應用

胡晨飛

(山西省節能中心有限公司,太原 030045)

煤炭行業作為我國的支柱性產業,一直以來都是我國社會發展與經濟快速增長的基礎[1]。由于我國煤炭多為地下開采,通風不便,頻發的瓦斯爆炸事故對井下工人的生命安全構成了巨大威脅[2]。通過對歷史上多起煤礦爆炸事故的分析,發現多數事故礦井的通風設施不到位,通風系統不合理,控制方式不科學,最終釀成慘禍[3]。近年來,隨著電子信息技術、微電子技術與控制理論的發展,PLC控制技術與變頻調速技術應用范圍越來越廣[4]。通過PLC控制煤礦通風機,可有效提高通風系統的自動化程度與工作的可靠性,通過變頻技術驅動通風機可大幅降低風機的損耗,實現電機軟起動與無級調速[5]。本文將針對礦井通風系統,研究與應用系統的自動控制技術。

1 通風自動化控制技術

通風系統采用PLC自動控制技術與變頻調速驅動技術,通信方式為RS485串行通信。RS485串行通信具有抗干擾能力強,傳輸速率高等優點,滿足PLC控制風機啟動、正反轉和調速等要求。

由電機工作原理可知,交流異步電機的轉速為:

n=n1(1-s)=60f1/p(1-s) .

(1)

式中,n1為電機的同步轉速;f1為定子的輸入電壓頻率,Hz;p為電機的極對數;s為電機轉差率。

由式(1)知,通過改變交流異步電機的輸入電壓頻率f,可實現電機轉速n的平滑調節。

由流體力學知,通風機的輸出風量、電機轉速與電機功率符合下列關系:

(2)

(3)

(4)

式中,n1、n2分別為控制前后通風機的轉速;Q1、Q2分別為控制前后通風機的輸出總風量,m3/s;p1、p2為控制前后通風機的風壓,Pa;P1、P2為控制前后通風機的功率,kW。

由公式知,當通風機的轉速降低至原先的1/2時,通風機的輸出風量也隨之降至1/2,通風機所消耗的功率降為原先的1/8,所以通過變頻驅動方式控制風機的轉速,可有效減少通風系統不必要的能源消耗。

系統的自動控制原理如圖1所示,采用閉環控制,由傳感器監測風機出風口處的風速信號,通過與給定風量的差值計算,得到控制器的輸入量,經過數據修正,保證風機輸出風速恒定。

圖1 系統自動控制原理Fig.1 Automatic control principle of ventilation system

2 控制系統整體方案設計

2.1 系統功能設計

由于傳統風機控制方案存在自動化程度低,啟動時間長、電流沖擊大等缺點,會損壞電機的絕緣性能,縮短設備的使用壽命,并且造成較大的能源浪費。本文設計的控制系統主要實現的功能如下:實現風機的手動控制、自動控制與遠程終端控制三種工作模式,并且三種模式可以任意切換;風機可實現軟起動,并自動進入變頻運行模式,當變頻器故障時,可以切換到工頻模式;當礦井發生爆炸或火災時,PLC控制風機反向運轉;系統實時監測風機的運行參數,通過液晶屏顯示風機的各組工作狀態;當系統電氣設備、電參數等工況數據異常時,系統發出報警信息,當參數超過設定值一定量時,切斷電源,停止風機運行;當主風機故障時,自動運行切換程序,切斷主風機電源,運行副風機。

2.2 系統結構方案設計

系統以PLC控制器為核心,整體結構如圖2所示,包括遠程監控機、上位機、交換機、控制器、變頻器以及各類傳感器。上位機與遠程監控機可實現風機歷史運行數據以及現場運行效果的實時監控功能,并通過互聯網實現遠程指導與信息交流。此外系統采用權限管理,權限低的用戶只能查看,不能修改。系統的通訊介質為光纖電纜,通過TCP/IP協議實現信號傳輸,滿足各設備之間的通訊功能。傳感器部分包括溫度傳感器、風速傳感器、濕度傳感器與瓦斯濃度傳感器,負責采集礦井與風機內的信號參數,實現風速的自適應調節。

3 系統設備選型設計

系統的硬件部分包括PLC控制器、變頻器與傳感器等部分,本節將對控制系統的部分設備進行選型設計。

3.1 PLC控制器及外圍模塊選型設計

系統采用西門子公司S7-300 PLC控制器,負責對通風機設備、高低壓電氣設備等的監控。S7-300 PLC編程功能強大,具有較好的電磁兼容性和抗干擾能力,滿足礦井通風機的工作需求。S7-300采用PS307電源模塊供電,向控制器提高5 V直流電源與24 V直流電源。控制器CPU模塊型號為315-2DP,CPU包括384K RAM存儲器,2個DP接口。控制器采用SM321數字量輸入模塊與SM321數字量輸出模塊,負責將外部數字信號轉換為控制器內部信號或將內部信號轉換為外部設備可用信號。通訊模塊包括CP343-1與CP341,分別滿足控制器的以太網通訊需求與串口通信需求[6-7]。

圖2 通風控制系統整體方案設計Fig.2 Overall design of ventilation control system

3.2 變頻器選型

目前變頻器主要分為交-直-交變頻器與交-交變頻器兩種,其中交-直-交變頻器將一定頻率的交流電整流轉換為直流電,再通過逆變電路轉換為所需頻率的交流電。本文選用日立公司生產的SJ700交-直-交變頻器,具有較高的啟動轉矩,保證風機的快速啟動,具有過電流與過電壓保護功能,減少跳閘風險,搭設噪音濾波器,降低變頻器發出的噪音[8]。

3.3 傳感器模塊設計

系統的傳感器模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器與瓦斯濃度傳感器。其中溫度傳感器模塊采用NTC熱敏電阻材料,其接線圖如圖3所示,其中R2為限流電阻,C1為濾波電容,傳感器模塊的測量范圍在-20～75 ℃之間,誤差小于±0.1 ℃。

圖3 溫度傳感器接線圖Fig.3 Wiring diagram of temperature sensors

系統選用DHT1數字式濕度傳感器,具有響應快、性價比高等優點,其接線圖如圖4所示,其中R3為上拉電阻,當傳輸距離大于20 m時,需計算合適電阻值,電容C2為濾波電容。

圖4 濕度傳感器接線圖Fig.4 Wiring diagram of humidity sensors

瓦斯濃度傳感器選用KG9701智能沼氣傳感器,可實時監測附近范圍內的CO氣體濃度,并具有聲光報警功能。系統選用KGF2型礦井專用風速傳感器測量風機出風口處的風速信號。KGF2傳感器由18 V直流電源供電,可將信號傳輸到PLC控制器,也可直接通過液晶屏顯示。傳感器安裝于出風口管道的墻壁上,保證傳感器探頭與出風的風向一致。

4 系統監測數據分析

系統通過各傳感器設備監測礦井的通風參數,部分監測數值如表1所示。監測數據表明,當巷道風速達到3 m/s時,瓦斯等有害氣體的濃度值較低,溫、濕度保持在一個舒適值。當風速過大,不僅造成能源浪費,也會吹起粉塵,影響作業環境;當風速過小時,不能有效地輸送新鮮空氣,稀釋瓦斯。系統根據監測數據,對通風機的轉速進行實時控制,以達到良好的通風效果。

表1 系統測量參數表Table 1 Measurement parameters for ventilation system

5 結語

本文通過對PLC控制技術與變頻技術的研究,提出了一種基于PLC控制器的礦井通風自動控制系統,并分析了變頻技術應用于通風機后的控制效果與節能效果。對控制系統的主要硬件設備與傳感器進行了選型,并設計了溫、濕度傳感器的系統接線方式。本控制系統與控制技術具有自動化程度高,節能效果好等優點,可滿足通風系統的調速與監測需求,提高井下工作環境的安全性。