礦井通風機監控系統的應用研究

陳 晉

(山西西山煤電 馬蘭礦抽采區抽采隊，山西 古交 030205)

0 引言

通風機的功能是調節井下空氣濕度和瓦斯濃度，對于煤礦的安全生產具有重要意義。為了滿足井下工況變化，需要對通風機的風量和風壓進行調節，傳統的做法是在進氣管或排氣管中安裝風門或節流閥，通過控制垂直風門的高度調節通風機性能，這種方法的優點是控制簡單、可靠性高，故該方法得到了廣泛的應用，但是其存在兩方面缺點:①通風機的電機24 h運行在高速旋轉狀態，造成極大的電能浪費和電機軸承機械磨損；②這種方式為開環控制，對風量和風壓的控制效果不佳。為了改善通風機的控制性能，在保障井下通風充足的基礎上降低電能消耗，本文將分段PID控制理論和變頻調速技術應用于風機控制系統，實現了礦井通風機的在線監測和風壓風量閉環控制。

1 風機變頻控制

1.1 控制對象和控制方式

本系統的控制對象為兩臺對旋軸流式通風機，一臺主用另一臺備用，型號為FBCDZ No18/2×110，配套的驅動電動機型號為YBF315L1-6，額定轉速為2 900 r/min，額定風量可達3 100 m3/min～4 800 m3/min，額定風壓為260 Pa～3 200 Pa，額定功率為110 kW，質量為11 000 kg。

變頻調速有4種控制方式,即轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制和恒壓頻比控制。一方面由于通風機在低速運行時負載轉矩小，電機在低頻運行時也能正常運行；另一方面盡量減少通風機的電能損耗，因此采用恒壓頻比控制方式對風機進行變頻控制。恒壓頻比控制方式又稱為V/F控制，這種控制的特點是電壓和頻率的比值為常數，轉子的磁通保持不變。V/F控制的缺點是動態性能和轉矩利用率低，存在系統時延導致的失穩現象。圖1為通風機監控系統閉環控制示意圖，通過將給定參考風量與風量傳感器返回的實際風量做差，得到風量誤差，經過PLC的PID控制算法調節，輸出變頻器控制信號，變頻器接收PLC控制信號后，按照控制目標輸出指定幅值和頻率的電壓，風機在此電壓驅動下完成轉速的調節。

圖1 通風機監控系統閉環控制示意圖

1.2 分段PID控制

由相關文獻可知，異步電動機和變頻器均可等效為一階慣性環節。一階慣性環節的控制可采用PID算法進行控制，由于通風系統的多個變量之間存在耦合和非線性關系，傳統的PID控制算法對控制對象參數和建模準確性要求較高，應用于通風機風量控制時效果不佳，因此本文采用改進的分段PID風量控制算法。

分段PID風量控制算法的原理是：根據風量誤差的大小調節PID控制器的控制力度，將風量誤差劃分為三段：①將風量誤差大的定義為強控制段，此時PID控制器控制力度最大；②將風量誤差中等的定義為中等控制段，此時PID控制器控制力度中等；③將風量誤差較小的定義為保持段，此時PID控制器控制力度最小。以上述分段PID控制算法為基礎，構建出以誤差為橫軸、誤差變化率為縱軸的誤差相平面，將各分段控制模態表示出來，如圖2所示。圖2中，當系統誤差處于二、四象限時控制器工作在保持模態；當系統誤差處于一、三象限時，控制器根據誤差大小分段調節，使誤差接近于0。

圖2 誤差相平面特征圖

2 硬件選型與設計

圖3為通風機監控系統組成框圖，組態監控是系統的管理層設備，其功能是實時監視通風機的運行狀態，向主控制柜發送遠程控制信號。主控制柜的光纖信號通過光纜連接到井面上的風機房，風機房內的終端機將信號轉換為以太網信號，傳輸給上位機。觸摸屏和主控制器防爆控制柜是系統的控制層設備，觸摸屏可顯示各部位溫度、振動參數、通風量和風壓等。在自動運行模式下，主控制器防爆控制柜根據采集的通風量和控制策略控制變頻器的電壓，進而改變風機的運行狀態。

圖3 通風機監控系統組成框圖

2.1 變頻器

變頻器的選擇需要考慮應用需求和安全性兩方面，本文選擇MicroMaster430型變頻器，這是一款專用于風機和泵的標準變頻器，其內部功能的互聯技術具有高度的靈活性和可靠性，控制軟件可實現多種運行方式的切換，在恒定轉矩控制方式下額定功率為120 W～200 kW，可變轉矩控制方式下額定功率為250 kW。

2.2 PLC

一般的控制系統具有4種信號即數字量輸入信號、數字量輸出信號、模擬量輸入信號和模擬量輸出信號。數字量輸入信號包括風機運行方式的選擇、各風機控制方式的選擇、風門開關到位信號和變頻器故障信號；數字量輸出信號包括通風狀態顯示信號、風機的運行方式控制信號、急停指示、風門開關信號和故障報警信號；模擬量輸入信號包括綜合電量參數、風機差壓、風機靜壓、軸溫繞組溫度、風門開關信號和風機振動參數；模擬量輸出信號指的是變頻器控制PWM信號。本系統所需數字量輸入通道21個，數字量輸出通道20個，模擬量輸入通道14個，模擬量輸出通道4個，此外系統還需要溫度巡檢儀、觸摸屏、電量傳感器和上位機的通訊端口4個。本系統選擇S7-200系列PLC，這款PLC具有1個EM222數字量輸出擴展模塊，1個CPU226CN模塊，1個CP243-1通訊模塊，4個EM235模擬量擴展模塊。總計共有24個數字量輸入通道，24個數字量輸出通道，16個模擬量輸入通道，4個模擬量輸出通道。

2.3 傳感器

從性能穩定方面考慮，本系統選用熱電阻式溫度傳感器，型號選擇PT100鉑電阻。這款溫度傳感器可靠性高、耐振動，穩定性好，溫度傳感器的輸出信號通過屏蔽線傳輸至多路溫度巡檢儀，然后由多路溫度巡檢儀通過串口RS485向PLC傳輸數據。根據系統需求，在3個位置配置了溫度傳感器，分別配置在風機主軸承、電機軸承和電機三相繞組。本系統采用鉆孔測量靜壓法測量風機的風壓，MDM492是一款穩定性高、精度高的風壓傳感器，內部集成了各類補償電路、信號增強、電壓電流轉換和各類保護。風量監測有熱電偶測量和超聲波測量兩種，考慮到煤礦環境溫濕度較大，容易影響熱電偶風速傳感器的精度，因此采用卡曼渦節原理制成的超聲波測量法，各類傳感器選型見表1。

表1 各類傳感器選型表

3 監控軟件

控制程序主要有主程序和各功能程序，主程序內主要是一個上電延時和周期性循環程序，上電延時的作用是預防PLC還未完全啟動的情況下，由于程序運行導致的誤操作，根據實際經驗設置延時6 s后進入周期性循環。在周期性循環內并行調用各功能子程序，包括風機運行控制子程序、反風控制子程序、風門控制子程序等。

風機運行控制子程序是軟件設計的核心，程序流程如圖4所示。程序開始后首先進行模式判斷，如果運行在自動變頻模式，則依次調用初始化程序，對EM222模塊和EM235模塊進行自檢，自檢通過后調用分段PID控制算法，設定中斷時間后連接中斷程序，然后對變頻器的故障、過熱和振動進行排查，若以上故障均沒有發生則執行風機運行輸出控制指令，結束程序。若風機運行在手動變頻模式則直接進入故障排查，若風機不運行在手動變頻模式則進入工頻運行模式。

圖4 風機運行控制子程序流程

4 結束語

本文將分段PID控制器應用于通風機風量控制，基于PLC控制器和變頻調速技術實現了對礦井通風機的監視與控制。本系統可以在地面上位機中顯示風機的故障狀態、負壓、流量、軸承溫度、軸承振動、定子溫度、電流、電壓、功率等工況信息，降低了通風機故障停機的概率，減少了通風機不必要的電能損耗，提高了煤礦通風及系統的安全性和可靠性。