基于通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的高壓雙電源快速切換技術(shù)的研究

霍 鵬

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045400）

1 高壓雙電源自動切換系統(tǒng)概述

煤礦井下主扇高壓雙電源自動切換系統(tǒng)的作用功能為當(dāng)主扇風(fēng)機在運行過程中遭受電源故障而停電時，立刻找到故障的地方并進行自動切除，同時直接連接備用電源，保證主扇風(fēng)機持續(xù)不間斷地工作，不會受到電源故障的影響，持續(xù)調(diào)節(jié)井下瓦斯氣體及粉塵的濃度，避免瓦斯?jié)舛冗^高而引發(fā)事故。雙電源自動切換系統(tǒng)集就地控制、集控手/自動、遠(yuǎn)程自動這三種控制方式[1-3]，這三種控制方式滿足了井下工作中的一切需求，可以對電源實現(xiàn)有效的切換控制。這三種方式中集控自動是最為便捷的，只需要技術(shù)人員發(fā)出指令，便可以通過PLC控制器自動完成接下來的一系列動作，且在該模式下，雙電源自動切換系統(tǒng)可以對主扇風(fēng)機中的參數(shù)及狀態(tài)進行實時監(jiān)控，可排除潛在的風(fēng)險，分析可能形成故障的原因，當(dāng)運行風(fēng)機出現(xiàn)故障時，立刻完成自動倒機。同樣遠(yuǎn)程自動控制也可以實現(xiàn)足不出戶便可完成實際操作，通過對顯示出來的參數(shù)直接進行判斷，自主選擇合適時機，按照指定實現(xiàn)遠(yuǎn)程倒機操作。因此高壓雙電源自動切換系統(tǒng)的提出為井下作業(yè)有序推進提供了現(xiàn)實保障。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備配置

監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分包括工業(yè)控制CPU和SIEMENS的315CPU模塊。之所以選用兩套CPU是為了在其中一個模塊進入工作時，另外一個作為備用，保證監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)的信號測量主要由數(shù)字輸入輸出端口、模擬值和串口通信模塊這三大模塊組成，供電裝置主要有UPS、SIEMENSPLC專用電源和兩級躲避雷電等裝置。

1）PLC采用西門子S7—315系列，帶電熱插拔；PLC的I/O接口應(yīng)預(yù)留20%以上的備用量。

2）上位工控機硬件配置要求CPU不低于奔騰四核處理器，內(nèi)存不低于4 GB，500 GB硬盤，22英寸液晶顯示器。

3）PLC控制器必須選用UPS且滿載持續(xù)時間不低于1 h，以保證控制器安全穩(wěn)定運行。

4）操作柜要求為琴鍵式結(jié)構(gòu)，殼體防護等級為IP54，要求外形美觀、裝配牢固、維護便捷。

5）就地箱是控制系統(tǒng)必不可少的部分，應(yīng)同風(fēng)機附屬設(shè)施一道安置，且兩種操控方式（現(xiàn)場就地控制、集中遠(yuǎn)程控制）輪流切換。

6）要求任何電氣控制柜包含供電和信號兩系統(tǒng)配備兩級防雷。

3 監(jiān)控系統(tǒng)功能測試

界面是用于直接觀測實際檢測的參數(shù)是否在不斷發(fā)生改變以及所變化大小的工具，通過界面可以有效掌握通風(fēng)量大小和風(fēng)壓大小，從而了解風(fēng)門和風(fēng)機是否處在正常運行狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)都是在實際測試和測量之后上傳的真實數(shù)據(jù)，直接告訴控制者設(shè)備的真實狀態(tài)。另外，界面間還可以隨意來回切換，比如在主界面上，可以直接找到所有子界面的功能，同時執(zhí)行監(jiān)控、故障報警和存檔記錄等功能。

同時，高壓雙電源快速切換技術(shù)不僅在倒換風(fēng)機條件上可以靈活設(shè)置，實現(xiàn)有效限制，還能預(yù)先校核倒換風(fēng)機條件，當(dāng)條件不滿足時會自動停止。將該系統(tǒng)在實際作業(yè)中進行應(yīng)用，并花了三個月的時間進行觀察，發(fā)現(xiàn)這個界面在設(shè)置和檢驗倒換風(fēng)機條件時非常方便，所有正常和故障倒換風(fēng)機工作都完美實現(xiàn)。且在該界面的指引下，可以對風(fēng)門的開合進行直接操控，包括與之相配套的開關(guān)絞車和電動執(zhí)行模塊等都可以實時操控。還有就是不管正常與否都能倒機，當(dāng)設(shè)備處在正常狀態(tài)時，可以自動到換風(fēng)機，當(dāng)出現(xiàn)故障時，可手動倒機和檢修。

在實際作業(yè)中，可提前在報警界面設(shè)置好系統(tǒng)中重要參數(shù)的合理區(qū)間，如果風(fēng)機風(fēng)門等設(shè)備在界面上顯示異常，監(jiān)測得的數(shù)據(jù)超過合理范圍時，系統(tǒng)將直接進入報警狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障并提醒技術(shù)人員采取相應(yīng)措施。每一次的故障報警都會自動存儲與記憶，在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)庫中自動整理形成記錄以供查詢，后續(xù)維護人員可根據(jù)系統(tǒng)記錄下來的每次故障報警的詳細(xì)信息如故障部位、故障時間、故障原因和解決辦法等對設(shè)備進行合理保養(yǎng)。在這三個月的試驗階段中，煤礦井下主扇風(fēng)機一直處于正常運行狀態(tài)，電路和電網(wǎng)等也沒有發(fā)現(xiàn)異常。因此通過這個界面可以有效實現(xiàn)對主扇風(fēng)機運行的安全保障。

4 監(jiān)控系統(tǒng)主要項目測試結(jié)果

選擇陽煤集團某礦井作為該煤礦井下主扇風(fēng)機高壓雙電源快速切換系統(tǒng)技術(shù)的集中試點，該礦井配備的主要通風(fēng)設(shè)備類型為防爆型的對旋軸流式，型號為礦用FBCDZNO.20，該風(fēng)機在工作時符合經(jīng)典風(fēng)機的特性，駝峰般的工作曲線，這類風(fēng)機對工況配合要求比較高，如果不能良好配合電機和風(fēng)機都會出現(xiàn)較大的安全隱患。因此在開始安裝之前要先進行設(shè)備測試，模擬故障狀態(tài)進行倒換風(fēng)機，看過程是否順利，結(jié)果顯示該系統(tǒng)完美通過測試，可在該礦井中投入試用。

將改造前和改造后的倒換風(fēng)機過程進行對比，發(fā)現(xiàn)礦井下風(fēng)速的波動幅度有明顯改變，改造前正常通風(fēng)狀態(tài)下是2.5 m/s，但經(jīng)過一段時間后降低為0.5 m/s，這已然臨近于停風(fēng)，并且這一波動持續(xù)了長達(dá)5 min；改造后的波動幅度變化顯而易見，風(fēng)機正常狀態(tài)下是2.5 m/s，然后瞬間降到1 m/s，再之后又瞬間恢復(fù)正常，波動的持續(xù)時間低至1 min。風(fēng)速波動時間越短，對礦井下通風(fēng)作業(yè)的不良影響越微弱，因此這種將長時間波動轉(zhuǎn)為瞬間波動的可以對風(fēng)機的穩(wěn)定性和安全性帶來保障。

改造前，倒換風(fēng)機過程中井下空氣中瓦斯含量處于較大波動范圍，從第2分鐘開始，瓦斯氣體的含量驟升至2.5%，而煤礦井下的安全值僅為1%，因此屬于遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出的狀態(tài)，并且超出的時間為5 min左右，在這么長的時間里，瓦斯含量持高對礦井的安全工作帶來了極大的威脅。改造后，井下空氣中瓦斯氣體的含量最高為0.8%，未超出極限值，波動很小且持續(xù)時間不到2 min，工作環(huán)境安全。通過對實際數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，該新系統(tǒng)投入使用后，倒換風(fēng)機時間大大縮短，而且在不停風(fēng)的情況下均可進行倒機，并且瓦斯含量及波動范圍都很可觀，倒機作業(yè)過程中的安全性能得到很大提升。

5 結(jié)論

本研究中首次提出通風(fēng)設(shè)備和通風(fēng)系統(tǒng)的雙重診斷思路，完美地解決了由于主通風(fēng)機出現(xiàn)故障和異常帶來的通風(fēng)不穩(wěn)定而引發(fā)的井下瓦斯含量超限的安全隱患。在加入雙電壓自動切換系統(tǒng)的優(yōu)化改造之下，對井下通風(fēng)系統(tǒng)的影響由改造前的五六分鐘系統(tǒng)停風(fēng)驟降為30 s的風(fēng)量波動，真正做到了不停風(fēng)倒機，消除了井下瓦斯積聚帶來的安全隱患，值得推廣到煤礦井下的實際作業(yè)中進行應(yīng)用。