煤礦局部通風管控系統優化設計

李祥榮

(山西焦煤西山煤電官地礦,太原 030053)

局部通風管控系統是煤礦井下通風網絡重要組成部分,在井下各工作面單獨建設,負責抽放本工作面瓦斯、CO等有毒有害氣體以及粉塵,并輸送新鮮空氣,達到調節井下氣候、保證井下工作人員生命安全的目的。煤礦局部通風系統實際運行中存在調風能力不足、智能化水平偏低的問題。如“一風吹”、根據實踐經驗調節風速等,存在瓦斯積聚、瓦斯超限的安全隱患[1-2]。因此,需迫切優化煤礦局部通風管控系統,保障煤礦井下工作面安全、穩定生產?；诖?筆者對官地煤礦63上07運順掘進巷道局部通風系統進行優化設計,達到該工作面安全、高效、連續生產的目的。

1 系統設計

煤礦局部通風管控系統設計目標為:①提高局部通風機的調風能力,實時采集風速、風量、瓦斯濃度、CO濃度等傳感器數據,采用模糊PID控制算法實現預調速功能。②提升局部通風機智能化水平,實現遠程控制功能,實現“一鍵啟動”“一鍵倒機”以及運行狀態監控。③能夠安全、穩定、連續運行,完善局部通風機溫度保護、聲光報警以及可靠供電能力。為實現上述局部通風機管控系統設計目標,系統核心器件包括中央處理器、分線裝置、傳感器、HMI平臺、智能開關、不間斷電源等,相互聯系關系如圖1所示。核心為中央處理器,分別接收分線裝置A、B數據后經交換機上傳至工業環網并在HMI平臺實時展示系統運行數據;礦用攝像儀將采集到的工作面視頻數據經交換機上傳至工業環網后在HMI平臺實時展示。中央處理器內嵌模糊變頻控制算法對局部通風機進行“一拖一”變頻控制。傳感器由不間斷電源進行供電,電壓等級為DC24 V。

圖1 煤礦局部通風管控系統設計框圖Fig.1 Block diagram of local ventilation control system in coal mine

2 硬件系統設計

2.1 硬件選型

煤礦局部通風管控系統核心硬件包括中央處理器、分線裝置、智能開關以及風速、風筒風量、溫度、振動、瓦斯濃度、CO濃度傳感器,詳細選型如下。

1)中央處理器:KFAQ02,用于采集局部通風管控系統數據并對風機、通風構筑物以及其他通風設備進行控制。輸入信號包括10路-5 ℃～100 ℃溫度信號,12路4～20 mA電流信號,4路數字量輸入信號以及6路200～1 000 Hz頻率信號[3-4];輸出信號包括4路波特率為9 600 b/s的RS485通訊接口,1路CAN通訊接口,1路TCP/IP通訊接口。以上信號連接全部使用快速航插。供電電壓為12～24.5 V。

2)分線裝置:JH18,為礦用本安型,用于完成數據采集電纜的連接及分線,額定電壓為60 V,額定電流為1 A,防護等級為IP54。

3)交換機: SW21,交換機用于為RS485通訊、TCP/IP通訊提供信息交換渠道,額定電壓為DC127V,4路千兆TCP/IP通訊接口,4路本安TCP/IP通訊接口,1路RS485通訊接口,最大網絡重構自愈時間不超過100 ms,設備吞吐量不小于6 480 Mb/s。

4)智能開關:QJZ-160/1140(660)F,用于控制局部通風機工頻/變頻調風,節約能源。

5)變頻器:BPB-75/660F,用于改變局部通風機運行頻率,與局部通風機組成一體化變頻風機,發揮結構簡單、占用空間小的優點。

6)礦用攝像儀:KBA18W,用于將工作面視頻進行采集、壓縮、編碼并發送至井下工業環網,為礦用防爆監控設備。支持IEEE802.11g通訊協議,傳輸距離可達150 m,具有低照度、高清晰度的特點,滿足局部通風機惡劣工作環境。

7)HMI平臺:KC01-70T,用于展示局部通風機運行狀態等,為礦用本質安全型,支持TCP/IP、CAN以及視頻輸入。

8)不間斷電源:KDW127/24/18/12,用于當井下斷電時,為井下傳感器提供本安電源,支持3路24 V,3路18 V、2路12 V本安電源輸出,具有保護功能完善、帶載能力強的特點。

9)聲光報警器:KXH127(A),用于根據報警信息發出不同聲光報警信號,電源電壓為127 V。

10)風速、風筒風量、溫度、振動、瓦斯濃度、CO濃度傳感器選型及主要技術參數如表1所示。

表1 傳感器組主要技術參數Table 1 Major technical parameters of sensor group

2.2 安裝位置設計

瓦斯濃度傳感器用于實時測量工作面巷道內瓦斯的濃度,T1布置于運順掘進工作面巷道內,距迎頭處3～5 m,預警濃度為0.5%,報警濃度為0.8%,斷電濃度為1.2%;T2布置于運順掘進工作面掘進巷道內,距回風巷10～15 m,預警濃度為0.3%,報警濃度為0.6%,斷電濃度為1%;T3布置于運順掘進工作面巷道內,距掘進巷道10～15 m,預警濃度為0.2%,報警濃度為0.3%,斷電濃度為0.5%[5-7];F1風速傳感器布置于運順掘進工作面巷道內的回風流處,距迎頭處10～15 m,該處為無分支風流、無拐彎、無障礙、斷面無變化、能準確計算風量的地點,用于實時連續測量監測點的風速、風量大小。

圖2 瓦斯濃度、風速傳感器安裝位置示意Fig.2 Installation location of gas concentration and wind speed sensors

風筒風量傳感器用于實時連續測量風機迎頭風量以及漏風風量,1臺安裝于風機的出風口處,另1臺安裝于距工作面出風口10 m處。振動傳感器用于實時監測局部風機的振動參數,固定于風機支架之上,1臺風機配置2個振動傳感器并成90°夾角布置[8-9]。溫度傳感器用于實時監測電機溫度,貼附于風機電機機身。CO濃度傳感器用于實時測量工作面巷道內CO的濃度,垂直懸掛于測量地點,距頂板250 mm,距巷壁280 mm。礦用本安型紅外攝像儀用于監測智能開關、饋電開關的狀態;礦用本安型球型攝像儀用于監測局部通風機巷道現場環境情況,以圖片形式傳送至中央處理器進行圖像識別和判斷。

3 軟件系統設計

3.1 算法設計

煤礦局部通風通風管控系統算法設計如圖3所示,采用模糊PID控制算法對工作于運順掘進工作面的局部通風機進行模糊變頻控制,其中,E為局部風機設定速度與反饋速度的差值, r/min;Ec為速度差值變化率,r/min2;f為經模糊PID控制算法處理后的變頻器運行頻率,Hz。以局部通風機的轉速以及轉速的變化量為輸入信號,綜合考慮反饋的巷道瓦斯濃度數據、風速數據,經模糊量化處理、模糊推理決策、模糊判斷后輸出變頻器運行頻率,進而實現對局部通風電機的模糊PID變頻控制。

圖3 煤礦局部通風管控系統算法設計Fig.3 Algorithm design of local ventilation control system in coal mine

3.2 程序設計

1)一鍵啟動、一鍵切換程序設計。局部通風機“一鍵啟動”功能定義為:通過按鈕遠程控制局部通風機啟動與關閉。局部通風機“一鍵啟動”程序控制流程如圖4所示。

圖4 “一鍵啟動”程序流程Fig.4 One-button start program flow

局部通風機“一鍵倒機”功能定義為:通過按鈕遠程控制局部通風機主、備風機切換。局部通風機“一鍵倒機”程序控制流程如圖5所示。

圖5 “一鍵倒機”程序流程Fig.5 One-button switch program flow

2)變頻調速程序設計。局部通風管控系統根據工作面巷道內布置的瓦斯濃度傳感器、CO濃度傳感器以及風速傳感器實時測量數據,對運行風機風速、風量進行調節,保障瓦斯濃度、CO濃度在安全閾值之下。根據《煤礦安全規程》規定,設置瓦斯濃度安全閾值為0～0.5%,CO濃度安全閾值為0～0.002 4%。以T4瓦斯濃度傳感器為例,當瓦斯濃度大于預警濃度0.2%時,控制風機變頻增風,降低瓦斯濃度至安全濃度;當瓦斯濃度大于報警濃度0.3%時,控制風機變頻增風降低瓦斯濃度,同時監測瓦斯濃度是否會繼續上升;當瓦斯濃度大于斷電濃度0.5%時,關閉該巷道內所有非本質安全型電氣設備并進行點動排瓦斯。調頻增風與降頻減風時,單次頻率變化為0.5 Hz,在該頻率持續工作10 min,觀察瓦斯、風速傳感器數據,若不能達到預期,則繼續增頻或者降頻操作,直至達到調風要求。同時設計自動通風模式、自動排瓦斯模式,詳細流程如圖6所示。

圖6 煤礦局部通風管控系統變頻調速程序設計Fig.6 Frequency conversion speed regulation program design of local ventilation control system in coal mine

3.3 HMI設計

煤礦局部通風管控系統HMI設計基于WAGO SCADA組態軟件實現。該組態軟件基于IOT架構和標準Web技術,可提供豐富的組態元素和動畫,支持主流瀏覽器,擴展性和開放性較好。該組態軟件支持倍福PLC、西門子PLC等多種數據源,支持Modbus TCP/RTU、CAN、CANopen等多種通訊協議,滿足局部通風管控系統HMI設計要求[10-12]。中央處理器以CAN總線通訊模式將局部通風管控系統運行時的參數設定值、運行狀態數據、故障狀態數據、系統分析數據(如電壓、電流、振動等波動曲線)發送至WAGO SCADA組態軟件。WAGO SCADA組態軟件對上述數據進行接收并按照CAN總線通訊協議進行解析、存儲。在WAGO SCADA組態軟件中設計首頁界面、參數監測界面、環境參數監測界面、系統操作界面、故障及報警界面、數據統計與分析界面等,實時、全面展示煤礦局部通風管控系統狀態。

4 試驗分析

4.1 試驗條件

為驗證設計并實現的煤礦局部通風管控系統的正確性和有效性,在官地煤礦的63上07運順掘進巷道進行現場應用。該運順掘進巷道形狀為拱形,斷面面積為18.4 m2,風筒直徑為800 mm,風筒出風口風量為340 m3/min。該運順掘進巷道采用FBDY-NO6.3/2×30(660/1140 V)型超低噪聲對旋局部通風機,額定功率為2×30 kW,數量為2,與PBP型變頻器實現“一拖一”控制。將煤礦局部通風管控系統各硬件設備按照圖1設計要求,采用礦用線纜連接并進行通電調試和試運行。

4.2 結果分析

1)實驗室試驗。為驗證設計并實現的煤礦局部通風管控系統的調風能力,在實驗室采用額定功率為3 kW、額定電壓為380 V、額定電流為6.82 A、額定轉速為1 140 r/min的三相異步電機代替實際通風電機,使用0～5 mA電流模擬風速傳感器、瓦斯濃度傳感器輸出信號。調節瓦斯濃度傳感器輸出信號,模擬局部通風管控系統調風能力,詳細數據如表2所示。采用模糊PID變頻調速方案有效完成了局部通風機通風及瓦斯超限排放目標,檢驗了該變頻調速方案的正確性。

表2 煤礦局部通風管控系統調速試驗數據(部分)Table 2 Speed regulation test data of local ventilation control system in coal mine (partial)

2)工業性試驗。該煤礦局部通風管控系統現場應用時間為2022年07月-2022年12月,運行期間未發生故障與報警事故,系統運行狀態良好。局部通風管控系統可實時監測局部通風機風機參數、環境參數、設定參數、通訊及按鈕狀態、故障信息等;可遠程實現一鍵啟停、一鍵倒機操作;風機轉速可隨巷道內瓦斯濃度、CO實時值動態自適應調節。

表3所示為煤礦局部通風管控系統優化前后關鍵參數對比,優化后的局部通風管控系統實現了專人巡檢、實時自檢修、智能變頻調風、多參數實時判斷系統故障的目的,提升了局部通風管控系統的智能化水平;現場服務人數由5人減少至2人,實現了局部通風管控系統的減人增效。

表3 煤礦局部通風管控系統優化前后對比Table 3 Comparison before and after optimization of local ventilation control system in coal mine

5 結論

以煤礦局部通風機為研究對象,重點分析了局部通風管控系統硬件、軟件設計思路和方法,以KFAQ02中央處理器為核心,融合變頻調速技術、傳感器技術對原局部通風管控系統進行優化并完成現場應用,得出的結論為:

1)優化后的局部通風管控系統,在滿足工作面通風要求的前提下,實現了風機智能變頻調速,一鍵啟停、一鍵倒機以及專人巡檢、實時自檢修。

2)經現場應用,優化后的局部通風管控系統實現了“機械化換人、自動化減人”,提高了系統的智能化水平,有助于提升該工作面作業安全系數和作業效率。