煤礦主通風機無人值守系統探究

張鎖仁

摘? 要：礦井空氣通風機系統是保證煤礦安全清潔生產的重要關鍵設備，礦井主通風機作為煤礦中最重要的通風設備，又被稱為“煤礦之肺”，主通風機的可靠運行是保證煤炭開采作業正常安全進行的必要前提。由通風機為主要設備所構成的煤礦通風系統的主要任務是向井下運送新鮮空氣，并控制井下有害氣體、瓦斯及粉塵的濃度，如果通風系統發生故障，將會給井下生產作業帶來嚴重的安全隱患。因此針對通風機建立一套安全、可靠、智能的監測與控制系統對提高煤炭生產的效率和安全性具有重要意義。

關鍵詞：煤礦;通風機;無人值守系統

引言

我國早期煤礦通風系統的供電方式大多采用單電源回路，系統的結構過于簡單，可靠性低下，時常發生意外斷電斷風等問題，極易造成井下有害氣體或粉塵濃度急劇增大，給井下煤炭開采作業帶來十分嚴重的安全隱患;同時相應的監控系統在通風環節出現意外時無法保證故障信息的及時上傳，風機運行參數的監測精度及響應速度普遍低下，無法實時掌握主通風機的運行狀態，且風機的控制操作繁瑣復雜，無法在主通風機出現故障被迫停機時及時切換至備用風機保障井下通風，不能滿足目前煤礦智能化監控的需求。雖然目前國內已對礦井通風測控系統進行了大量的研究及改進，但由于國外對先進通風監控設備及技術的壟斷，導致我國煤炭開采智能化的發展受到嚴重制約。

1煤礦主通風機存在的問題

①無法根據瓦斯濃度自適應調整風速、風量，出現“一風吹”的現象。②當瓦斯濃度降低至安全范圍之內時，局部通風機仍然正常工作，電能浪費現象嚴重。③當瓦斯濃度突然增加時，局部通風機的風速、風量達不到稀釋瓦斯濃度的要求，存在較大的安全隱患。④局部通風機正常工作時，經常出現“大馬拉小車”的現象，長期處于工頻運行狀態。

2煤礦主通風機無人值守系統

2.1煤礦主通風機自動化控制技術

礦井主通風機素有“礦井肺腑”之稱，擔負著向煤礦井下工作面輸送新鮮空氣、排出有毒有害氣體和粉塵的重任，是保證礦井通風系統安全穩定運行時煤礦安全生產的重要工作。礦井通風機作為礦井通風系統主要通風設備，在日常生產中由于通風機數量較多，在正常運行過程中通風機存在間歇時間長、通風效率低、低負載運行等問題，嚴重浪費電能。所以對通風機進行變頻調速是十分重要的。

2.1.1自適應模糊PID控制技術

傳統通風機有大慣性、模型時變及大時滯等特性，其運行過程中的控制量不能準確反映系統的擾動，所以通風機的控制十分復雜。隨著計算機科學的不斷發展，智能化逐步運用于礦井開采中，基于自適應模糊PID控制可以較好地實現變頻控制。自適用模糊PID控制器是采用自適應模糊推理的方式，對PID調節器的各個參數進行整定，從而實現穩定控制。自適用模糊PID控制器的工作流程為對控制器進行給定值的輸入，給定值輸入后對給定值與實際值進行比較分析，確定兩者的差值，此時模糊推理控制模塊會對差值進行分析，從而得出修改PID控制器的參數，實現實時調節，系統一直持續循環以上過程，實現控制器的最優化管理。通風機風量調節原理同樣是對給定值進行一系列的計算，從而對比得出變頻器輸入量，實現異步電動機的實時控制，達到控制風量的目的。對比分析自適應模糊PID控制與模糊控制響應曲線，首先進行仿真模擬的數據設置。由于兩者為單一變量對比，所以兩者的參數設置應當一致，完成模型的設置后進行仿真。

2.1.2變頻控制系統設計

通過仿真研究確定了自適應模糊PID控制技術后，對系統風機變頻調速控制系統進行設計。PLC控制器選定S7-400H為核心控制器，利用傳感器對系統的風壓等參數進行采集，通過通信模塊實現控制器與變頻器的數據交流，同時利用上位機實現風機數據的顯示。PLC控制器的輸出電流為10A，接口模塊為IMI153，數字量輸出輸入模塊分別為6ES7322-1CF0-0AA0和6ES7321-7BH01-0AB0，模擬量的輸入輸出模塊分別為6ES7331-7KF02-0AB0和6ES7322-5HF00-0AB0，與上位機采用CP1623通信板卡連接。

2.2礦用地面壓風機無人值守系統

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，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。智能化無人值守通風系統選用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。

2.3礦用通風機監控系統的設計

壓力傳感器、溫度傳感器和振動傳感器等都會被安裝在通風機監控系統的物理層中，以下便是各種傳感器的作用以及設計具體的電路連接方式。①壓力傳感器。井下的環境比較艱苦，需要實時感知周圍的空氣壓力，確保通風排氣的正常進行。選擇JQYB-A1型的氣體壓力傳感器安置在通風機機房的周圍，并外接24V的電源為其供電，該傳感器具有極性反相保護功能，而且抗干擾能力強，能夠很好的適應井下的環境。②溫度傳感器。因為通風機需要長時間的將空氣一直輸送到礦井中，驅動電機和機軸等位置的溫度會因為長時間的工作而持續升高，因此需要對這些部位的溫度進行測量，避免溫度過高，燒毀電機。將型號為PT100的溫度傳感器放置在機軸附近，并外接24V的電源為其供電，同時連接一個熱電偶。③振動傳感器。通風機正常工作時，驅動電機會發生無規則的振動，如果振動的頻率過大，會導致電機燒毀，還可能會破壞軸承，使得葉片變形，通風機也會因此損壞。所以，要選擇靈敏度比較高的CD-21-S型振動傳感器對電機的振動頻率進行監測，確保在電機的振動速度加快時能夠及時發現振動頻率的變化。

結語

所設計的煤礦主通風機無人值守系統能夠對主通風機進行實時監控，對電流、溫度、振動、風量、風壓、頻率等工況實現在線監測，具備數據實時監測與報警功能，有關監測數據可進行存儲、查詢，地面調度室或集控中心遠程控制主通風機啟停。該系統穩定性高、易操作，具有靈活的運行方式，便于管理、維護，有效地推動了煤礦通風智能化管理的發展進程。

參考文獻

[1]周福寶，魏連江，夏同強，等.礦井智能通風原理、關鍵技術及其初步實現[J].煤炭學報，2020，45（6）：2225-2235.

[2]宋瑞.礦井主通風機監控及故障診斷專家系統研究[D].西安：西安科技大學，2019.