變頻技術(shù)在煤礦通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

李文斌

（山西陽泉煤業(yè)集團(tuán)有限公司開元礦，山西 晉中 045400）

引言

煤礦生產(chǎn)中，安全是第一要?jiǎng)?wù)，而煤礦巷道通風(fēng)系統(tǒng)則在很大程度上保障著煤礦生產(chǎn)安全。在巷道通風(fēng)系統(tǒng)中，主通風(fēng)機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備，但由于功率較大且持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，耗電量極大，據(jù)統(tǒng)計(jì)：主通風(fēng)機(jī)耗電量約為煤礦耗電總量的15%～30%，因此對(duì)煤礦巷道通風(fēng)系統(tǒng)加以改造也是現(xiàn)階段落實(shí)節(jié)能降耗理念的必然要求。當(dāng)前，新的交流變頻調(diào)速通風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)具有極為靈活的調(diào)解方式，且具有較高的可靠性，節(jié)能效果極為明顯，因而成為礦井通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的首選設(shè)計(jì)方案。

1 應(yīng)用變頻技術(shù)應(yīng)考慮的問題

1）性能安全可靠。利用通風(fēng)機(jī)電器數(shù)值選擇相應(yīng)的曲線進(jìn)行加速，以便于實(shí)現(xiàn)最佳的軟啟動(dòng)效果。應(yīng)充分考慮煤礦巷道所需風(fēng)量以及風(fēng)壓情況，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉片位置，并根據(jù)通風(fēng)機(jī)曲線特征表現(xiàn)來確定合理的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及工況點(diǎn)，從而確定變頻器使用速率。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，煤礦生產(chǎn)企業(yè)每年都要組織井下反風(fēng)演練，確保通風(fēng)機(jī)在煤礦發(fā)生災(zāi)害事故的狀況下可及時(shí)采取反風(fēng)操作，從而確保煤礦井下具有足夠的反風(fēng)量。應(yīng)對(duì)變頻器內(nèi)部銅條、基板分別采取鍍鎳處理和三防涂層處理，強(qiáng)化變頻器對(duì)于外部環(huán)境的適應(yīng)性，從而在煤礦工作環(huán)境下更好地發(fā)揮功能，且不受外部因素影響。一般來說，變頻設(shè)備在電壓波動(dòng)情況下依然能夠正常工作，且在電網(wǎng)電壓降低至一定程度時(shí)仍然可以繼續(xù)工作，因變頻設(shè)備適應(yīng)性較強(qiáng)，一旦電網(wǎng)發(fā)生單相事故（高壓電網(wǎng)接地以及迅速閃絡(luò)等），變頻裝置依然可維持工作狀態(tài)，而非立刻停止運(yùn)行，通風(fēng)機(jī)也由此而處于運(yùn)行工作狀態(tài)。

2）能源節(jié)約。煤礦通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備中，變頻控制系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。由于諧波高次成分的存在，電動(dòng)機(jī)因異步電子流所受損害也隨之加大，電動(dòng)機(jī)功率效率因素出現(xiàn)不同程度差異，因此選擇變頻器成為其中的關(guān)鍵。一般情況下以低諧波高次分量比產(chǎn)品為首選。在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)以低能量損耗以及高效率的產(chǎn)品為主。盡量保護(hù)鐵芯不受損害。變頻設(shè)備應(yīng)選擇直供式設(shè)備，并且應(yīng)與供電電壓一致，且不需中間變壓環(huán)節(jié)，有效控制電網(wǎng)污染問題，也有利于抑制高次諧波，從而使電壓表現(xiàn)出強(qiáng)大兼容性特征，同時(shí)又不會(huì)干擾其他設(shè)施，且具有高功率因數(shù)［1］。

2 變頻調(diào)速總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)方案如下：在系統(tǒng)構(gòu)成中，從站通過FX2NPLC控制變頻器、除塵系統(tǒng)以及管道分流系統(tǒng)，而風(fēng)機(jī)則在變頻器驅(qū)動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)主站，即QPLC經(jīng)由CC－Link現(xiàn)場(chǎng)總線控制從站，同時(shí)經(jīng)CC－Link對(duì)變頻器、除塵系統(tǒng)以及管道分流系統(tǒng)展開榮譽(yù)控制，以免FX2NPLC從站發(fā)生故障而導(dǎo)致整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的可視化管理特點(diǎn)，通過中央監(jiān)控中心即可在組態(tài)技術(shù)支持下遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，見圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)總體構(gòu)成示意

1）變頻器聯(lián)合FX2NPLC控制系統(tǒng)。在風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速總體設(shè)計(jì)方案中，系統(tǒng)關(guān)鍵部分即為變頻器＋FX2NPLC控制系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)受到FX2NPLC控制并在變頻器作用下實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能目的。系統(tǒng)通過閉環(huán)控制方法對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制和調(diào)整。風(fēng)機(jī)出風(fēng)口區(qū)域配置壓力傳感器以及風(fēng)速傳感器，系統(tǒng)能夠分析風(fēng)速傳感器以及壓力傳感器輸出信號(hào)，對(duì)巷道通風(fēng)情況作出準(zhǔn)確判斷。倘若風(fēng)速與風(fēng)壓難以滿足巷道通風(fēng)要求，系統(tǒng)則會(huì)發(fā)布指令對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，從而確保巷道通風(fēng)要求，保障煤礦安全生產(chǎn)順利進(jìn)行，見圖2。

圖2 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

煤礦通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)并未對(duì)風(fēng)速作出過于嚴(yán)格的要求，因此風(fēng)速合格范圍數(shù)值較為寬泛，頻繁調(diào)節(jié)風(fēng)速并無必要。在本系統(tǒng)中，應(yīng)通過三段速模式來調(diào)整、控制風(fēng)機(jī)速度，如果巷道風(fēng)速不符合煤礦安全生產(chǎn)需求，系統(tǒng)則通過PID算法對(duì)變頻器運(yùn)行頻率加以自動(dòng)、適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，提高風(fēng)速直至安全生產(chǎn)要求［2］。

2）管道分流。煤礦井作業(yè)過程中往往伴有大量有害氣體，直接釋放，排至大氣中則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重污染問題。按照設(shè)想，對(duì)于超標(biāo)有害氣體應(yīng)通過敷設(shè)管道等方法對(duì)風(fēng)機(jī)所排廢氣導(dǎo)送至特制管道，并采取燃燒處理。但就本次設(shè)計(jì)而言，我們僅選擇以管道分流的方式處理風(fēng)機(jī)排出氣體，對(duì)于燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)不作深入討論。

3）除塵裝置。煤礦生產(chǎn)具有較大特殊性，其中通風(fēng)機(jī)中排出大量粉塵與氣體混合，倘若不及時(shí)處理粉塵問題，則會(huì)造成嚴(yán)重的大氣污染問題。所以在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)應(yīng)著重于除塵環(huán)節(jié)，通過有害氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)風(fēng)機(jī)排出氣體進(jìn)行評(píng)估和檢驗(yàn)，對(duì)于尚未超標(biāo)的有害氣體可引入除塵裝置。除塵裝置設(shè)計(jì)如下圖3：以濕式振弦除塵器為主，取顆粒傳感器設(shè)置裝置入口區(qū)域，檢測(cè)氣體中混雜的粉塵含量，并計(jì)算除塵裝置噴水量，對(duì)噴水量予以靈活調(diào)節(jié)，以有效除塵，見圖3。

圖3 除塵裝置設(shè)計(jì)圖

4）從站人機(jī)交流。本系統(tǒng)中FX2NPLC從站配置均有觸摸屏，為人機(jī)交流創(chuàng)造了便捷的溝通橋梁。操作者可利用人機(jī)界面啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，或予以中止，并且能夠?qū)ψ冾l器電流、輸出電壓、巷道空氣狀況、輸出電壓以及電機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)予以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［3］。

5）組態(tài)監(jiān)控技術(shù)。所謂組態(tài)監(jiān)控，即利用組態(tài)軟件操作QPLC主站內(nèi)部資源，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)變頻器參數(shù)的遠(yuǎn)程更改與設(shè)置。除此之外，為系統(tǒng)模型提供一種模擬實(shí)際的信號(hào)給定是設(shè)計(jì)中組態(tài)的另一項(xiàng)重要功能。

6）主站QPLC。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，主站QPLC是核心所在，整體功能包括如下兩點(diǎn)：第一，從站FX2NPLC冗余。一旦從站控制系統(tǒng)中FX2NPLC受到意外因素干擾影響而停止工作，那么主站QOLC可利用CC－Link現(xiàn)場(chǎng)總線遠(yuǎn)程控制通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，以免煤礦井下通風(fēng)中斷。第二，采集信息。在CC－Link的支持下，主站QPLC能夠?qū)崟r(shí)讀取變頻器頻率、輸出電壓以及電流等指標(biāo)參數(shù)，并顯示在組態(tài)界面上。所得數(shù)據(jù)也可經(jīng)由CCLink發(fā)送至從站FX2NPLC，操作者通過觸摸屏可接收到顯示的數(shù)據(jù)信息。

7）報(bào)警電路。本系統(tǒng)中報(bào)警方式分為兩種：1）報(bào)警指示燈會(huì)在變頻器工作狀態(tài)異常的情況下處于持續(xù)點(diǎn)亮狀態(tài)，并發(fā)出報(bào)警聲音，而通風(fēng)機(jī)在此種情況下已停止運(yùn)轉(zhuǎn)，巷道處于危險(xiǎn)狀態(tài)。2）報(bào)警電路會(huì)在從站不工作的狀態(tài)下發(fā)出聲光報(bào)警，QPLC主站控制報(bào)警電路，而報(bào)警信號(hào)則以聲光閃爍報(bào)警為主［4］。

3 結(jié)語

在當(dāng)前國內(nèi)煤礦通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中，變頻技術(shù)的應(yīng)用尚不夠深入，而在行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，變頻技術(shù)在環(huán)保節(jié)能、自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著極為重要的作用。在科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展下，變頻技術(shù)在煤礦通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

［1］ 王新，翟景昌.基于自適應(yīng)PSD預(yù)估算法的通風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2014，31（6）：410－413.

［2］ 張永建，劉少荷，王維，等.基于 MCGS的礦用主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（10）：129－131.

［3］ 吳燕翔，李權(quán)任，成萍，等.基于PLC的礦井通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（16）：471－475.

［4］ 張軍，邱呂強(qiáng)，楊燦湘，等.基于PLC控制的局部通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析［J］.河南科技，2014（11）：154.