變頻均壓防滅火控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 蔣德智

1.引言

在社會(huì)生活中，火災(zāi)是威脅公共安全，危害人們生命財(cái)產(chǎn)的災(zāi)害之一，是世界各國人民所面臨的一個(gè)共同的災(zāi)難性問題。在煤礦生產(chǎn)中，火災(zāi)也是一直困擾煤礦企業(yè)安全發(fā)展的一大難題[1]。在煤礦火災(zāi)中，煤炭自燃占有較高的比重。自燃現(xiàn)象又稱內(nèi)因火災(zāi)，是指煤炭在溫度和氣體達(dá)到一定條件時(shí)，氧化速度加快造成的。煤炭自燃現(xiàn)象多發(fā)生在采空區(qū)，而采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象是造成自燃的主要原因之一。

圖1 變頻均壓防滅火控制系統(tǒng)組成

均壓技術(shù)就是采用通風(fēng)技術(shù)措施，調(diào)節(jié)漏風(fēng)風(fēng)路兩端的風(fēng)壓差，使之減小或趨于零，使漏風(fēng)量降至最小，從而抑制火災(zāi)易發(fā)區(qū)內(nèi)煤的自燃，抑制封閉火區(qū)的火勢(shì)發(fā)展，加速其熄滅。傳統(tǒng)的均壓措施一般有風(fēng)窗均壓、輔扇均壓及風(fēng)窗輔扇聯(lián)合均壓等方法。隨著煤礦企業(yè)自動(dòng)化程度的提高和出于安全生產(chǎn)、減員增效原則的考慮，基于變頻技術(shù)的均壓防滅火方法是一種理想的煤礦通風(fēng)措施。筆者提出了一種以PLC為核心，結(jié)合了變頻器、基于RS485總線的傳感器和礦用軸流對(duì)旋風(fēng)機(jī)的變頻均壓防滅火控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.系統(tǒng)功能

控制功能：起動(dòng)、停止、復(fù)位、變頻風(fēng)機(jī)和直起風(fēng)機(jī)切換、手動(dòng)和自動(dòng)控制切換、手動(dòng)模式多段調(diào)速、運(yùn)行狀態(tài)鎖定。

自動(dòng)調(diào)風(fēng)功能：根據(jù)通風(fēng)巷道風(fēng)速、壓差、一氧化碳濃度進(jìn)行PID動(dòng)態(tài)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減小漏風(fēng)量以實(shí)現(xiàn)采空區(qū)防滅火。

圖2 液晶屏主顯示界面

報(bào)警功能：一氧化碳超限、風(fēng)壓超出上下限、變頻器故障時(shí)具有聲音報(bào)警和顯示報(bào)警功能，聲音報(bào)警采用真人語音，顯示報(bào)警包括指示燈矩陣和液晶屏顯示。

顯示功能：10.4寸液晶屏、數(shù)碼管、指示燈三種顯示方式?？娠@示風(fēng)機(jī)電壓、電流、頻率、風(fēng)速、壓差、一氧化碳濃度、風(fēng)速、風(fēng)壓值和各種運(yùn)行狀態(tài)。

參數(shù)設(shè)置功能：可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道情況編輯各傳感器值的報(bào)警點(diǎn)、PID參數(shù)、控制策略和PID給定值等。

切換功能：當(dāng)變頻器、本安操作臺(tái)故障或系統(tǒng)意外斷電時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)備用工頻風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換。

圖3 參數(shù)設(shè)置界面

3.系統(tǒng)組成及原理

變頻均壓防滅火控制系統(tǒng)由本安電源、傳感器、操作臺(tái)、變頻器組成。傳感器由兩臺(tái)本安不間斷電源提供的18V直流電壓供電，操作臺(tái)采用變頻器中控制變壓器提供的交流220V電壓供電，也可采用127V照明電源供電。所有傳感器均采用RS485總線Modbus協(xié)議輸出模式，經(jīng)本安隔離后接入操作臺(tái)PLC主站。操作臺(tái)顯示屏、指示燈、數(shù)碼管顯示部分和變頻器均采用RS485總線方式接入PLC。傳感器與變頻器、顯示部分分別接入獨(dú)立的通信端口，變頻器啟?？刂撇捎肞LC數(shù)字量輸出端口，調(diào)速采用4-20mA電流環(huán)，保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性和控制的可靠性。

系統(tǒng)包含兩臺(tái)風(fēng)速傳感器、兩臺(tái)一氧化碳傳感器、一臺(tái)負(fù)壓傳感器。風(fēng)速傳感器分別安裝在入風(fēng)巷道和回風(fēng)巷道風(fēng)流穩(wěn)定處，一氧化碳傳感器安裝在采空區(qū)火災(zāi)易發(fā)點(diǎn)，當(dāng)有燃燒現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，必然伴有一氧化碳?xì)怏w的產(chǎn)生，因此，一氧化碳傳感器的測(cè)量結(jié)果可直接反應(yīng)是否有著火現(xiàn)象發(fā)生。負(fù)壓傳感器可測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間氣體壓差，將其安裝在入風(fēng)風(fēng)門處，將兩個(gè)氣壓輸入口分別用橡膠管引至風(fēng)門兩側(cè)，測(cè)量結(jié)果即反應(yīng)了通風(fēng)巷道送風(fēng)點(diǎn)和風(fēng)門內(nèi)部氣壓差。

如圖1所示，操作臺(tái)作為系統(tǒng)的控制核心，完成人機(jī)交互功能，包括采集控制按鈕的輸入、通風(fēng)巷道內(nèi)各關(guān)鍵點(diǎn)的傳感器數(shù)值采集和顯示，液晶屏主界面顯示如圖2。左上方區(qū)域?qū)崟r(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行開關(guān)量狀態(tài)，如變頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、備用風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、手動(dòng)、自動(dòng)狀態(tài)、各傳感器通信狀態(tài)、一氧化碳超限指示等。右上方區(qū)域?yàn)橥L(fēng)巷道入風(fēng)風(fēng)量值、回風(fēng)風(fēng)量值、壓差值、一氧化碳濃度值，左下方為巷道形狀，在對(duì)應(yīng)的傳感器位置直觀地顯示出實(shí)際檢測(cè)結(jié)果。

PLC以傳感器采集的一氧化碳濃度、入風(fēng)風(fēng)速和回風(fēng)風(fēng)速值、入風(fēng)風(fēng)門兩側(cè)壓差作為PID控制器的輸入，進(jìn)行運(yùn)算得出變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡的風(fēng)量控制。控制策略分為風(fēng)量控制、風(fēng)壓控制和一氧化碳濃度控制，三種控制策略分別以不同的巷道通風(fēng)狀態(tài)作為控制輸入。三種控制策略中，一氧化碳控制策略具有較高的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)通風(fēng)巷道的一氧化碳達(dá)到一定值時(shí)，為將有害氣體盡快排出礦井，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入全速通風(fēng)狀態(tài)。

4.系統(tǒng)人機(jī)界面

操作臺(tái)提供了友好的人機(jī)界面，為現(xiàn)場(chǎng)不同的環(huán)境條件預(yù)留了豐富的參數(shù)設(shè)置接口，控制方式選擇接口。比如控制策略的選擇，通風(fēng)巷道實(shí)際截面積、巷道一氧化碳濃度、壓差報(bào)警值設(shè)置等，參數(shù)設(shè)置界面如圖3所示。在參數(shù)設(shè)置界面中，可設(shè)置PID模塊的比例系數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)完成時(shí)，可將參數(shù)按照預(yù)測(cè)的模型將各參數(shù)賦初值，初值固化在PLC的掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。當(dāng)預(yù)測(cè)模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際模型有差異時(shí)，系統(tǒng)將達(dá)不到預(yù)期的控制效果，因此，參數(shù)設(shè)置界面提供了現(xiàn)場(chǎng)整定的人機(jī)接口，使控制效果更加理想。由于系統(tǒng)采用風(fēng)速傳感器，而為了達(dá)到控制采空區(qū)漏風(fēng)量的目的，需要計(jì)算入風(fēng)風(fēng)量和回風(fēng)風(fēng)量，將二者的差值即漏風(fēng)量作為控制算法的輸入，因此在參數(shù)設(shè)置界面中可設(shè)置入風(fēng)、回風(fēng)巷道的截面積，以使系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)風(fēng)速實(shí)時(shí)計(jì)算風(fēng)量。同時(shí)系統(tǒng)具有風(fēng)壓上限和下限報(bào)警功能，一氧化碳超限報(bào)警功能，因此，在此界面中可預(yù)先設(shè)置一氧化碳超限值、風(fēng)壓上限和下限報(bào)警值。

5.結(jié)語

本系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，總結(jié)出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

（1）均壓通風(fēng)時(shí)，要保持壓力變化相對(duì)穩(wěn)定，嚴(yán)禁壓力忽大忽小，否則不僅達(dá)不到滅火的效果，反而可能導(dǎo)致火區(qū)發(fā)展更快。因此在進(jìn)行軟件算法整定時(shí)，比例系數(shù)不能過大，積分時(shí)間不能過短。

（2）當(dāng)井下發(fā)生火情時(shí)，一氧化碳一旦超限，應(yīng)在保證均壓的前提下，加大送風(fēng)量以盡快排出一氧化碳?xì)怏w，因此需要結(jié)合風(fēng)窗和風(fēng)門調(diào)節(jié)的均壓方法，以保證回采工作安全進(jìn)行。

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