礦用地面壓風機無人值守系統的改造應用探討

龐明杰

(晉能控股煤業集團有限公司 挖金灣虎龍溝煤業公司，山西 朔州 038399)

0 引 言

礦井通風機系統是保證井下安全作業生產的關鍵環節，郭莊煤礦現布置的壓風機組在工作過程中常出現壓風機不能正常運轉、中斷停機等現象，因此，需要設計新的壓風機組智能化監測方案，達到提高礦井開采效率以及保證煤礦安全生產的目標。筆者重點通過對郭莊煤礦壓風機組的測試裝置和采集系統進行升級改造，優化了無人值守通風系統的控制方案，實現對通風系統的全智能控制，提高地面通風設備無人值守系統的監測預警靈敏性和智能調控可靠性[1-2]，保障礦井工作人員的生命財產安全，同時提高礦井的開采作業效率。

1 智能化無人值守通風系統設計

郭莊煤礦通風機組包括2臺空氣式壓風機，該壓風機自身集成控制單元，通過顯示面板實時觀測到壓風機的運行參數和運行狀態，控制面板上集成壓風機自動運行和手動操控兩種模式，可實現壓風機自動啟停等運行功能，其中壓風機的輔助設備未實現自動化控制，因此需要對整個通風系統進行改造升級，主要目標是更換不具備自動化監測功能的元件設備，同時要求對智能化通風系統調控預軟件優化升級，形成系統化、整體式監測調控，實現在地面控制室遠程調控監測壓風機的穩定持續運行，同時還可以實時共享通訊數據，預警提示。圖1所示為無人值守通風機系統原理圖。

圖1 無人值守通風機系統原理圖

該系統選用PLC控制系統為主控制，搭配各參數采集模塊和通訊模塊、數據存儲模塊、風機控制單元、變頻器等，采集模塊對應不同類型的傳感器或者測試裝置，具體包括風門控制裝置、風量閥門、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及加速度傳感器，溫度傳感器用于監測壓風機的電動機溫度，起到預警調溫的作用，壓力傳感器用于測試壓風機送風口和進風口的風壓值，實時向控制系統傳輸風壓信號值，保證壓風機持續平穩運轉，流量傳感器用于測試壓風機進出風口以及管路的風量大小，加速度傳感器用于監控壓風機工作運轉時的振動狀態，綜上，集合總成了壓風機無人值守系統，通過各測試傳感器的信號監測，同時與主控系統數據交換傳輸可確保壓風機壓風特性穩定，使通風系統可實現更高效穩定的運轉，延長了空壓機的工作壽命，并且使工作能耗降至最小。

2 壓風機智能化控制系統設計

壓風機無人值守智能化系統具有三種控制模式，包括自動模式、手動模式、遠程模式，PLC主控系統與工控機相連(如圖2)，內置數據分析單元，可以依據采集單元傳輸的信號進行智能操控風機狀態，如是否需要反風，最終達到壓風機無人值守遠程巡視的效果，在地面就可以實現對壓風機及整個通風系統裝置的監控調整。

圖2 風機智能化控制系統結構圖

2.1 主控制功能設計

對于整個無人值守系統主控功能應圍繞智能監測和智能調控兩個方向進行設計[3-4]，具體包括：可遠程啟停壓風機、主扇風機以及輔助風機；以風機運行時間以及工作狀態進行自動判別后切換風機和相對應風機的模式；與整個系統數據信息同步，可識別礦井的工況，當識別到工作面出現事故，要求倒轉風機快速啟動，控制系統調控風機的電磁風門和執行器，將風機轉換成反風控制模式，并且依照位移傳感器的數據去判別風門的開關情況，確保風門的開關狀態，完全關閉、半開啟、完全開啟。

2.2 智能化控制系統

智能化控制系統的預警功能包含反風定時、風壓、風量、風機模式、以及風機切換。如圖3所示。

圖3 無人值守系統壓風機的通風結構圖

智能控制系統對于壓風機的驅動單元可以實現對電機控制柜以及變頻器調速、變頻控制柜啟動斷開的控制，并且實時監控電機和變頻器以及附屬配件的運行狀態，如可實現對壓風機驅動電機繞組和軸承溫度的監控調控，電機輸出電壓、電流、扭矩等信號的監測，各參數在不同工況下隨時間或者其他因變量變化的曲線變化圖在工控機上實時顯示。使用Profibus專線作為現場總線進行通訊，可以使風機的實時狀態數據與礦井安全生產總調度系統同步。關于風機部件的溫度檢測單元裝置以及磨損檢測裝置會實時將所監測元件的溫度或者風量信號傳輸至總調控單元(如軸承、定子)，若監測元件的溫度超過正常范圍，控制系統會發出報警同時視工作情況進行調整。當軸承的位置受振動而偏移，位移傳感器會傳輸至控制系統，控制系統警示并進行調整。

表1 控制系統監測參數數值

此外，表1所列該控制系統可以監測壓風機靜態時的風壓值、不同工況下的壓差值，根據上述參數系統進行數據分析，進而獲得相應參數的變化圖像，電機的相關監測參數與壓風機特性參數的監控流程一致。為了實現智慧礦山開采，該壓風機智能化控制系統可直接與礦井的數字化開采平臺連接，數據可以同步，從供電源頭到驅動變頻調控運轉至控制終端實現了一體化整合。

3 壓風機改造方案驗證分析

圖4為改造前后壓風機的風速波動值對比曲線，可以看到改造后的風速波動曲線保持平穩，幾乎沒有

波動，提升了風機的穩定性。另外，統計了使用改造后的壓風機無人值守系統的相關數據，在員工工作效率方面，發現改造后的智能化系統相比之前提升了13%，壓風機設備的運轉效率提升了16%，同時由于運轉效率的提高，使得壓風機的工作能耗降低，減少了壓風機的用電量。在礦井開采的產能方面，提升了17%，同時無人值守系統的投入也降低了工作人員的數量，減少了每月的固定成本開支。綜上分析，可得出壓風機無人值守系統表現優異。

圖4 改造前后風速波動對比

4 結 語

通過對煤礦的壓風機組進行了無人值守智能化升級改造，從壓風機組的硬件設備到控制系統和控制功能，整體進行了升級改造，推動了郭莊煤礦數字化礦山的進程，經過驗證分析，改造后的壓風機無人值守系統可以使其設備的運轉效率提高16%，同時減少了壓風機組的能耗使用率，節約電量。 壓風機組的無人化值守，可減少工作人員的投入，無人化運轉可以促進開采效率的提高，一定條件下可提升至17%。節約成本，擴大收益，同時符合碳中和的生產宗旨。