基于變頻技術的煤礦通風自動控制系統設計

田振玲

[摘 ? ?要]針對傳統控制系統在實際應用中無法有效提高通風機運行效率問題，開展基于變頻技術的煤礦通風自動控制系統設計研究。通過基于變頻技術的操作臺設計、PLC控制柜設計等硬件設計和礦井內部通風需求量計算、基于變頻技術的不間斷通風控制等軟件設計，提出一種全新的控制系統。通過實驗證明，新的控制系統能夠有效提高通風機運行效率，實現2 4h不間斷運行，同時提出了相應的補充措施，提高通風效果。

[關鍵詞]變頻技術;煤礦通風;自動控制

[中圖分類號]TD724 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]Aiming at the problem that the traditional control system cannot effectively improve the operation efficiency of the ventilator in practical application， the design and research of coal mine ventilation automatic control system based on frequency conversion technology is carried out. Through hardware design such as frequency conversion technology-based console design， PLC control cabinet design and other hardware design， calculation of mine internal ventilation demand， and software design of uninterrupted ventilation control based on frequency conversion technology， a brand-new control system is proposed. Experiments have shown that the new control system can effectively improve the operating efficiency of the ventilator and achieve 24-hour uninterrupted operationAt the same time， the corresponding supplementary measures are put forward to improve the ventilation effect.

[Keywords]frequency conversion technology; coal mine ventilation; automatic control

當前，通風機的應用十分廣泛，主要應用于工廠、礦井、隧道等需要進行通風、排塵的工作環境當中。在進行煤礦開采和生產的過程中，通風機承擔著將新鮮的空氣傳輸到礦井當中，將各類有毒氣體和粉塵排放的重要任務。因此，通風機的運行，對于整個煤礦開采而言都有著至關重要的作用。由于通風機設備在煤礦開采的過程中具有一定的特殊性，當出現短暫停風的現象時，則會引起煤礦內瓦斯氣體的爆炸，造成十分嚴重的煤礦開采事故，因此煤礦通風機必須保持全天候地不間斷工作。基于這一特點，設計一種能夠安全、有效、實時地通風自動控制系統，以此保障煤礦開采和生產的安全是一項重要的研究課題。傳統煤礦通風控制系統在實際應用中，由于存在控制精度低、大量能源浪費、故障判斷依靠操作人員經驗判斷等問題，因此存在著較大的安全隱患，威脅煤礦安全生產。基于此，本文結合變頻技術對煤礦通風自動控制系統進行設計研究。

1 煤礦通風自動控制系統硬件設計

變頻技術是一種把直流電逆變成不同頻率交流電的轉換技術。它可把交流電變成直流電后再逆變成不同頻率的交流電，或是把直流電變成交流電后再把交流電變成直流電。其工作原理是將三相380 V（220 V）/50 Hz交流電通過整流橋整流變成脈動直流電，通過電解電容濾波后變成平滑的直流電，控制板對IPM、IGBT或模塊的控制后將平滑的直流電變成三相頻率可變的交流電。

1.1 基于變頻技術的操作臺設計

考慮到煤礦通風機運行的需要，本文將系統中的操作臺設計為一個主臺和兩個輔臺結構。在主臺結構上配備觸摸屏和兩臺通風機啟動按鈕，在輔臺結構上放置兩臺型號規格均相同的工控裝置。為了確保在出現短時間停低壓電源的情況下，本文系統依然能夠保持平穩運行，本對操作臺的配電結構進行設計，如圖1所示。

操作臺作為本文系統的核心硬件，對于各類設備的控制主要通過按鈕和旋轉開關控制，通過開關和按鈕更方便地對多臺通風機以及相關輔助設備進行起停控制。本文在對操作臺進行設計時，考慮到變頻技術的應用需要，當選擇操控臺控制時，通過端子將變頻裝置的控制方式轉換為端子控制，此時變頻裝置的控制端口為干節點，只能夠通過無源開關量信號完成對變頻控制的啟動和停止。

1.2 PLC控制柜設計

基于煤礦通風自動控制系統需要，為確保實現對煤礦通風機的全天候自動控制，本文引入PLC控制柜結構。當系統當中某一單元出現問題，則通過PLC控制柜對備用單元進行切換，以此實現通風機的不間斷運行，從而提高本文系統的可靠性。本文選擇S8-150H型PLC控制柜，該型號PLC控制柜當中包含了兩個416-3HCPU，其所有重要部件都為冗余配置，能夠自動將出現故障的單元中斷。當本文系統中某一單元出現故障時，備用單元與該單元自動同步建立連接，并由PLC控制柜中的CPU發出相應的Link請求，將所有相關數據發送到CPU當中。由于本文系統在實際應用中可能會出現利用模擬量輸出進行變頻裝置頻率調節的控制，因此在對PLC控制柜進行設計時，還選用將6ES8325-4JD05的雙通道模擬輸出模塊作為備用。利用該模塊將數字量的控制信號轉換為通風機能夠自動識別的標準電流和電壓信號，以此實現對通風機的控制。

2 煤礦通風自動控制系統軟件設計

2.1 礦井內部通風需求量計算

根據2011版《煤礦安全規程》的規定，礦井需要的風量分別按井下同時工作的最多人數計算和按采煤、掘進、硐室及其他用風地點實際需要風量的總和進行計算，并取其中的最大值。

在利用本文系統完成對煤礦通風機的控制時，首先應當確定在不同煤礦開采項目當中礦井內通風需求量。結合一般煤礦開采要求，分別對礦井內部通風需求量、局部通風機吸風量、采煤工作面的需風量進行計算。其中礦井內部通風需求量計算公式為：

式（1）中：M表示礦井內部通風需求量，礦井內部通風需求量表示為煤礦礦井內需風量備用系數;x為礦井空氣密度;ms表示主通風機開采工作面上的通風需求量;ms'表示備用通風機的開采工作面通風需求量;mi表示獨立風流通量;mr表示礦井內部其他結構上的通風需求量。

按工作面最多人員數量計算采煤工作面的需風量為：

Q綜合=γNc （2）

式中：γ為每分鐘單人所需最低風量，m3/min;Nc為采煤工作面同時工作的最大人數。

局部通風機吸風量為：

Q掘=Qf×Ii×Kf （3）

式中：Qf為掘進工作面局部通風機額定風量;Ii為掘進工作面同時運轉的局部通風機臺數;Kf為局部通風機吸循環風的風量備用系數，一般取值1.2～1.3。

根據上述公式，完成對礦井內部通風需求量的計算，為通風機控制提供依據。

2.2 基于變頻技術的不間斷通風控制

由于本文在對系統進行設計時，要求通風機能夠保持24 h不間斷地運行，因此考慮到不同煤礦開采的不同狀態，本文引入變頻技術，對通風機進行控制。變頻技術主要是針對礦井通風機的電動機進行調速處理，其調速過程主要由三大類：

（1）改變電動機的磁極對數，即當電源頻率一定時，電動機轉速近似與磁極對數成反比，磁極對數增加一倍，轉速近似地減小一半，公式為：

（2）改變轉差率，在繞線型電動機回路里可以串聯調速電阻，在恒轉矩負載下，轉子回路電阻增大，轉速下降。

（3）改變電源頻率，主要借助變頻技術的變頻器，可以使交流電源的頻率連續調節，從而使交流電動機的轉速能夠從低速到高速都保持高效寬范圍和高精度的調速性能。

在本文系統當中包括操作臺運行模式和上位機操作運行模式兩種，其中上位機操作運行模式主要通過人為控制的方式，由負責人員在上位機當中通過發送控制指令實現對通風機控制。操作臺運行模式，主要是將變頻裝置產生的頻率信號通過本文上述設計的操作臺，對滑動變阻器給定一個數值，實現變頻控制。當滑動變阻器的阻值為0～12 k時，此時由變頻裝置將相應的電阻轉換為兩路標準的電流信號，以此實現對變頻裝置的頻率控制，進而控制通風機的不同運行狀態。

3 對比實驗

為了驗證本文提出的基于變頻技術的煤礦通風自動控制系統在實際應用中的可行性，避免在投入使用后出現故障問題影響煤礦開采現場施工進度，本文將該系統投入使用前，首先對其運行效果進行實驗，為確保實驗結果具有可對比性，選擇將傳統控制系統的運行參數作為對比，完成如下對比實驗：

為確保實驗結果的客觀性，對于兩種系統當中的PLC裝置、操作臺、通風裝置等均采用相同的設備型號完成。選擇將某煤礦通風機裝置作為實驗對象，分別利用本文提出的控制系統和傳統控制系統對該通風機進行24 h不間斷控制，對比兩種系統控制下通風機的運行效率，見表1。

由表1可知，在本文系統控制下通風機的運行效率均超過1 000 m3/d;而傳統系統控制下通風機的運行效率均小于1 000 m3/d，甚至在第3天到第5天只能達到500 m3/d左右。因此，通過對比實驗證明，本文提出的基于變頻技術的煤礦通風自動控制系統在實際應用中能夠有效提高通風機的運行效率，實現對通風機的24 h不間斷控制和運行，確保煤礦開采和生產的安全。

4 補充措施

在對煤礦通風自動控制系統進行優化設計的基礎上，根據通風系統即通風方式，為保證井下個工作長所須有足夠的新鮮風量，并降低通風費用，提出相應的應急情況應對措施，提高通風效果。

（1）礦井下巷道建議在支護條件許可的情況下，優先采用錨噴支護或砌碹支護;

（2）井下巷道布置盡量減少斷面的變化，需要變斷面處，盡量避免忽大忽小的急劇變化，巷道相交處盡量設計成平滑過渡的結構形式，以利風流順利通過;

（3）井下每組風門最小設兩道，并保證安裝質量，以防人員，車輛通過時引起風流短路;

（4）對采動影響造成的巷道裂縫及時用水泥砂漿充填，減少漏風;

（5）及時密閉已采的區域即回采的工作面，減少向采空區內漏風。

5 結束語

基于通風機裝置的重要作用，開展基于變頻技術的煤礦通風自動控制系統設計研究，通過研究提出一種全新的控制系統，并結合實驗論證的方式證明了該系統的實際應用效果。由于研究能力有限，本文系統當前無法實現對不同工況下礦井空氣氣壓的有效提升，因此在后續研究中還將對此進行更加深入的探究。

參考文獻

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