主通風控制系統(tǒng)的配置及功能實現(xiàn)

＊鄭建龍

（華陽集團開元公司 山西 045400）

引言

井下通風將新鮮空氣輸送至工作面，提高氧含量，稀釋有毒有害氣體。通風系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)為工作面提供新鮮空氣，滿足人員對氧氣的需要；排出粉塵、瓦斯，為安全生產(chǎn)創(chuàng)造條件。煤炭開采末期對通風需求量較大，為確保生產(chǎn)需求，其通風能力通常高于初期需求量。所以，工作面開采末期須對前期、中期通風系統(tǒng)予以調(diào)整。開元公司原有通風系統(tǒng)自動化程度低，不能依照工作面生產(chǎn)需要實時調(diào)整風量，一般情況下，通風量均較大，造成電能浪費。所以，優(yōu)化當前通風系統(tǒng)，提高其自動化程度和實時響應(yīng)，迫在眉睫。

通風系統(tǒng)是井下煤炭生產(chǎn)的“肺”、確保煤炭安全開采的首要因素。通風系統(tǒng)從地面為工作面輸送新鮮空氣，改善工作環(huán)境。為確保通風系統(tǒng)自動化程度和工作面其他子系統(tǒng)自動化程度相吻合，對通風機進行集中控制至關(guān)重要。

1.通風自動化控制原理

節(jié)能通風系統(tǒng)，其要點在于控制系統(tǒng)可依照作業(yè)面實時需風量和通風機供風量及時精確控制。實現(xiàn)該功能需要變頻技術(shù)和PLC控制技術(shù)的支持。

(1)變頻調(diào)速技術(shù)

該技術(shù)是對通風機供電頻率進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速變化，從而對通風機風量輸出進行控制，變頻調(diào)速原理關(guān)系式，見式（1）：

式中：n1表示電動機轉(zhuǎn)速；f1表示供電頻率；p表示電動機的極數(shù)。

現(xiàn)階段，變頻調(diào)速種類主要包含恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速、恒功率調(diào)速等。利用變頻調(diào)速對通風機動力源（電動機）進行轉(zhuǎn)速調(diào)整，當轉(zhuǎn)速降低一半時，通風機的輸出風量也降至一半，這時電動機的運行功率減少25%，實現(xiàn)節(jié)能降耗。變頻器是通風控制系統(tǒng)的核心組件，必須選擇礦用標準的變頻器。

(2)PLC原理

可編程邏輯控制器簡稱PLC，是目前工業(yè)應(yīng)用較為廣泛的一種控制器，PLC控制器具有編程簡單、功能性強、適用范圍廣、抗干擾性能好、易于維護等優(yōu)點。可對工作面采集到的風壓、風量、溫度等數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。通過與設(shè)定值進行比對，依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)和設(shè)定值進行偏差計算得出相應(yīng)的控制指令，反饋指令到變頻器，實現(xiàn)對變頻器的控制，從而實現(xiàn)通風系統(tǒng)風量控制。PLC控制原理，見圖1。

圖1 PLC控制原理框圖

PLC選型時需要對現(xiàn)場情況進行綜合分析，同時要兼顧系統(tǒng)容量、兼容性等問題。依照系統(tǒng)對輸入/輸出的點數(shù)進行預(yù)估，另外對附屬元器件進行型號選擇。現(xiàn)階段，PLC控制器可按照輸出的開關(guān)量、模擬量或者RS-485通信方式進行變頻器的操作。

2.通風控制系統(tǒng)的配置

通風系統(tǒng)要實現(xiàn)節(jié)能、自控的功能，須在原有通風系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加變頻調(diào)速和PLC控制、監(jiān)測、上位機等系統(tǒng)。為保障通風系統(tǒng)的可靠性，特配備兩套相對獨立的通風系統(tǒng)，且兩套系統(tǒng)能夠互相通信。通風機布置圖，見圖2。

圖2 工作面通風布置圖

從圖2可知，工作面的通風機布置2臺，遵循用一備一原則。主系統(tǒng)一旦發(fā)生故障備用系統(tǒng)在10min內(nèi)予以啟動。通風系統(tǒng)選用對旋式軸流風機，一臺風機配置2臺200kW的電動機，電壓為380V，轉(zhuǎn)速1470r/min，風機葉輪740r/min。

(1)PLC系統(tǒng)

開元公司通風系統(tǒng)配備的PLC規(guī)格型號為S7-300。該控制系統(tǒng)需對風機狀態(tài)、電動機溫度、風門開度等參數(shù)進行調(diào)節(jié)。為達到變頻調(diào)節(jié)功能，PLC控制系統(tǒng)和變頻系統(tǒng)之間采用MODBUS通信協(xié)議，以保障通訊通暢。根據(jù)S7-300的特性，結(jié)合工作面的工況，配備以下輔助元器件，見表1。

表1 PLC控制系統(tǒng)元器件選型

(2)變頻系統(tǒng)

變頻調(diào)速系統(tǒng)核心是變頻器的選擇。變頻器要依照通風機的電流、電壓及變頻器電壓等級相匹配。經(jīng)過綜合比對，選用SJ700系列的變頻器，其型號SJ700-3150HFE2，其絕體參數(shù)見表2。該礦通風系統(tǒng)共2臺通風機、4臺電動機，每臺電動機配備一個獨立運行變壓器。

表2 SJ700-3150HFE2關(guān)鍵參數(shù)

(3)監(jiān)測系統(tǒng)

傳感器是監(jiān)測系統(tǒng)的核心組件，結(jié)合現(xiàn)場所需，選擇的各類傳感器，見表3所示。

表3 監(jiān)測系統(tǒng)配置

(4)軟件設(shè)計

本次設(shè)計的通風機集中控制系統(tǒng)采取順序控制的方式。一般情況下，PLC控制程序表達式為梯形圖。通過對集中控制系統(tǒng)控制要點進行分析，可得該控制系統(tǒng)的流程圖，見圖3。

圖3 PLC控制流程圖

由圖3可知，D是傳感器采集到的瓦斯實時濃度值；D0是集中控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的瓦斯?jié)舛戎担籉1是傳感器采集到的實時氣壓值；F2是集中控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的工作面氣壓值。操作時，首先由操作員按下啟動按鈕，PLC進入自檢狀態(tài)，若選擇手動模式，則通風系統(tǒng)由手動控制實現(xiàn)；反之，通風系統(tǒng)進入自動運行狀態(tài)。其次，對工作面采集到的濃度值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值比較分析，若超過設(shè)定值，則立即報警并且停止運行；最后，系統(tǒng)對采集到的氣壓值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值比較分析，如果高于設(shè)定值，則通風機進入輪休狀態(tài)，反之，通風機同時開始工作。

3.控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

通過對通風控制系統(tǒng)的改造，其自動化水平和節(jié)能效果顯著。有利于降低工人勞動強度、提高系統(tǒng)可靠性。本控制系統(tǒng)包含工作面通風機相關(guān)參數(shù)監(jiān)測、PLC功能實現(xiàn)、變頻調(diào)速功能實現(xiàn)。另外，該控制系統(tǒng)設(shè)有人機交互界面，便于操作人員操控。結(jié)合控制要求，通風系統(tǒng)具體功能設(shè)計，見圖3。

由圖4可知，PLC控制系統(tǒng)輸入模塊采集通風機相關(guān)參數(shù)信息，然后與設(shè)定值進行比對，按照控制算法輸出相應(yīng)質(zhì)量，通過輸出模塊傳達值下位機執(zhí)行機構(gòu)。同時，輸入模塊所得數(shù)據(jù)傳送至工控機，方便操作人員掌控；此外，人機交換界面還可以顯示通風機異常運行報警信號。

圖4 通風控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4.應(yīng)用效果

開元公司通風機遠程化、自動化集中控制系統(tǒng)基于原有監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上完成，該系統(tǒng)應(yīng)用后，可實現(xiàn)實時在線監(jiān)測通風機狀態(tài)、運行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等信息，多方位監(jiān)測通風機的切換、啟停，具有自動排瓦斯、一鍵快速送電、單雙機切換運行等使用功能。具有功能強大、操作簡單等優(yōu)勢，能夠直觀的將通風機的運行數(shù)據(jù)以圖形畫面、曲線、趨勢圖、報表等多種形式輸出，支持打印、信息的WEB服務(wù)。監(jiān)測系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控視頻接入調(diào)度系統(tǒng)，可實現(xiàn)井下通風設(shè)備的遠程監(jiān)控和無人值守。集中控制系統(tǒng)應(yīng)用后，其人員效益、經(jīng)濟效益顯著。

5.小結(jié)

（1）變頻調(diào)速和PLC系統(tǒng)同時應(yīng)用在煤礦工作面通風控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)PLC控制器實時對通風量進行控制，有效提高通風系統(tǒng)的自動化程度，并且減少能耗。

（2）PLC控制器、變頻器、傳感器等元器件在MODBSU基礎(chǔ)上進行通信，PLC與上位機通過以太網(wǎng)相連，便于人機交互實現(xiàn)。