礦井主節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)的配置及其功能的實(shí)現(xiàn)

張燕峰

（陽泉市上社二景煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

引言

礦井主通風(fēng)系統(tǒng)為綜采工作面的關(guān)鍵分系統(tǒng)，其主要凈化工作面空氣質(zhì)量，為采掘工作面的安全生產(chǎn)提供保障。但是，在實(shí)際應(yīng)用中為保證工作面控制質(zhì)量滿足《煤炭安全規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)要求，通風(fēng)機(jī)常處于滿負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，造成大量電能的浪費(fèi)[1]。為響應(yīng)國家節(jié)能減排生產(chǎn)的號(hào)召，急需為工作面配置節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)，并保證其節(jié)能功能的實(shí)現(xiàn)。本文著重研究節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其功能的實(shí)現(xiàn)。

1 節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)的總體配置

礦井節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)的總體控制思路為：基于通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)所配置的瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、粉塵濃度傳感器對(duì)工作面瓦斯、粉塵等濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)所監(jiān)測(cè)到的數(shù)值超過規(guī)定限值時(shí)，增大通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量；當(dāng)所監(jiān)測(cè)到的數(shù)值低于規(guī)定限值時(shí)，減小通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量。本文以某掘進(jìn)工作面為研究對(duì)象，為精確監(jiān)測(cè)工作面的瓦斯?jié)舛龋瑢⑼咚箓鞲衅鞑贾萌鐖D1 所示。T1、T2 以及T3 為瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，K 為主通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)，D 為通風(fēng)系統(tǒng)的管路，F(xiàn) 為監(jiān)測(cè)巷道內(nèi)空氣流速的風(fēng)速傳感器。

圖1 瓦斯傳感器布置示意圖

根據(jù)傳感器所配置位置的不同，其報(bào)警、斷電以及復(fù)電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的瓦斯?jié)舛炔煌?。其中，T1 瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲌?bào)警濃度為1.0%；T2 瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲌?bào)警濃度為1.1%；T3 瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯膱?bào)警濃度為1.5%。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，要求掘進(jìn)巷道內(nèi)的風(fēng)速保持在0.25～4 m/s 之間，且風(fēng)速一般位置在1 m/s 左右[2]。

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)且為保證控制系統(tǒng)，采用變頻調(diào)速技術(shù)和PLC 控制器相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)。

2 通風(fēng)系統(tǒng)硬件的配置

傳感器、PLC 控制器以及傳感器為通風(fēng)系統(tǒng)的核心控制設(shè)備，其是實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵。

2.1 變頻器的選型配置

根據(jù)變頻器結(jié)構(gòu)的不同可將其分為交-交變頻器（直接變頻器）和交-直-交變頻器（間接變頻器）。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的變頻器為間接變頻器。根據(jù)變頻器選型經(jīng)驗(yàn)和市場(chǎng)調(diào)研，選擇三菱公司的FR-E500 變頻器。該變頻器具備RS485通信功能，可對(duì)多段速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，用戶可對(duì)上限頻率和下限頻率進(jìn)行設(shè)定，并可根據(jù)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)完成瞬間停電后再啟動(dòng)的功能[3]。

2.2 傳感器的選型配置

傳感器是監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)及工作面環(huán)境參數(shù)的設(shè)備，根據(jù)節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)及特征，需對(duì)通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)情況、瓦斯?jié)舛?、工作面風(fēng)壓等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并針對(duì)性的配置各類傳感器。主節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)傳感器配置情況如下頁表1 所示。

2.3 PLC 控制器的選型配置

PLC 控制系統(tǒng)作為監(jiān)控系統(tǒng)的核心系統(tǒng)，其功能是根據(jù)工作面對(duì)通風(fēng)量的需求進(jìn)行監(jiān)測(cè)和主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的獲取，通過對(duì)二者數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后，得出相應(yīng)的控制策略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增大或減小的控制。PLC 控制器為PLC 控制系統(tǒng)的核心，其控制精度及響應(yīng)特性直接決定控制策略的正確性和有效性[4]。結(jié)合以往PLC 選型經(jīng)驗(yàn)及產(chǎn)品現(xiàn)狀調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇PLC 控制器的型號(hào)為S7-300 系列，與該系列PLC 配套的模塊如表2 所示。

表1 傳感器配置情況

表2 S7-300 系列PLC 配套模塊

3 礦井主通風(fēng)系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制的總體思路如圖2 所示。

圖2 礦井通風(fēng)機(jī)節(jié)能控制框圖

本控制系統(tǒng)的核心為PLC 與變頻控制技術(shù)相結(jié)合的控制思路，首先由現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳒y(cè)量工作面的瓦斯?jié)舛群屯L(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)通風(fēng)量，通過PLC 控制器分析當(dāng)前瓦斯?jié)舛认聦?duì)應(yīng)的通風(fēng)量，通過變頻器對(duì)通風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)量的控制。

除此之外，為避免通風(fēng)機(jī)所排出氣體中粉塵濃度超過《煤炭安全規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)要求，還需將氣體送入除塵器中對(duì)其進(jìn)行除塵處理，并度處理后氣體的粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4 礦井主通風(fēng)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)的核心控制器為PLC，因此采用工業(yè)組態(tài)完成對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)所采用通風(fēng)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的軟件為監(jiān)控組態(tài)軟件。基于監(jiān)控組態(tài)軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬，關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)測(cè)以及所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和記錄。具體功能實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）將通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)機(jī)、PLC、變頻器以及傳感器等參數(shù)在組態(tài)軟件中進(jìn)行設(shè)置；

2）根據(jù)控制思路編寫PLC 控制流程圖，并將其導(dǎo)入至組態(tài)軟件中；

3）對(duì)工作面巷道風(fēng)速、瓦斯?jié)舛纫约胺蹓m濃度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，要求上述參數(shù)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)變化值顯示于監(jiān)控界面，并對(duì)其系統(tǒng)的報(bào)警、斷電以及復(fù)電功能進(jìn)行調(diào)試[5]。

在實(shí)驗(yàn)室中模擬變頻器的輸出頻率，驗(yàn)證對(duì)應(yīng)電機(jī)功率是否會(huì)做出相應(yīng)的改變，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

如表3 所示，通風(fēng)機(jī)電機(jī)功率可根據(jù)變頻器所控制的頻率對(duì)應(yīng)性的改變，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

表3 不同變頻器輸出頻率下電機(jī)的功率值對(duì)比

5 結(jié)語

通風(fēng)系統(tǒng)為綜采工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵分系統(tǒng)，在保證采掘工作面安全生產(chǎn)的同時(shí)，還需確保通風(fēng)系統(tǒng)滿足節(jié)能生產(chǎn)的要求。PLC 控制技術(shù)與變頻控制技術(shù)相結(jié)合的智能控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)電機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)風(fēng)量的控制。