礦井主通風系統監(jiān)控系統的設計

尚 鵬

（陽煤寺家莊有限責任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

礦井主通風系統在為工作面輸送新鮮的空氣的同時，將工作面瓦斯、煤塵等排除。隨著綜采工作面自動化生產程度的越來越高，對通風系統的自動化控制水平也提出了更高的要求[1]。目前，由于礦井通風系統對風量調節(jié)不及時及反應滯后等問題，導致給礦井工作面的安全生產帶來極大的安全隱患。因此，設計一款通風系統的監(jiān)控，使其能夠實時監(jiān)控工作面的瓦斯、粉塵等濃度，對風量進行實時控制。

1 礦井通風系統概述

工作面的通風系統包括有主通風系統、輔助通風系統以及局部通風系統。本文著重對礦井的主通風系統進行研究。一般的，主通風系統由主通風機、風門以及通風管道等組成。其中：主通風機一般設有兩臺，采取一用一備的工作模式；每臺通風機對應的有兩個風門，垂直和水平各一個；其中，垂直風門在系統的正常運行時關閉或開啟，水平風門主要用于對通風系統的維修使用[2]。通風管道為風量的管路，一般將壓力、風量以及溫度等傳感器安裝于通風管道內。

本文所研究主通風系統對應的通風機為對旋式軸流風機，該風機的結構如圖1所示。

對旋式軸流風機可采用壓入式、抽出式以及壓抽混合式三種工作方式。其中，以抽出式的工作方式居多。因此，本文所研究對旋式軸流風機的工作方式為抽出式。通風系統作為綜采工作面的大型綜合系統，其耗電量所占比較大。為達到節(jié)能的目的，采用變頻調速技術實現對通風機風量的控制。

2 主通風系統監(jiān)控系統的總體設計

2.1 主通風系統監(jiān)控系統總體設計要求

根據主通風系統在礦井的工作任務及要求，主通風系統監(jiān)控系統應滿足如下要求：

1）為提升對主通風系統控制的多功能性，要求基于監(jiān)控系統能夠實現對通風機的遠程控制、就地控制、手動控制和自動控制；

2）基于監(jiān)控系統能夠實現對通風系統運行狀態(tài)參數的實時監(jiān)控，并基于通信模塊實現數據的共享；

3）基于監(jiān)控系統能夠通過控制通風機高壓開關、低壓開關、變頻器實現對通風機風量的控制；

4）基于監(jiān)控系統的組態(tài)軟件設計的監(jiān)控畫面能夠實時顯示通風系統的運行狀態(tài)，實現對主通風系統的報警、數據查詢等功能[3]。

圖1 對旋式軸流風機

2.2 主通風系統監(jiān)控系統的總體方案設計

本文所設計的監(jiān)控系統的主要功能是實現對主通風系統的在線監(jiān)控和變頻控制。因此，該監(jiān)控系統能夠根據工作面的風量需求的變化，實時控制變頻器，繼而實現對通風系統風量的控制?；凇耙挥靡粋洹钡墓ぷ髟瓌t，為通風系統配置兩臺通風機，且均為抽出式工作方式[4]。根據控制需求，設計如下頁圖2所示的主通風系統監(jiān)控系統。

如圖2所示，主通風系統監(jiān)控系統由現場監(jiān)測層、核心控制層和監(jiān)控管理層組成。其中，現場監(jiān)測層通過風量、風壓、溫度等傳感器監(jiān)測主通風系統的運行狀態(tài)。此外，現場監(jiān)測層還包括有變頻調速控制的執(zhí)行機構。核心控制層通過485總線和Modbus協議獲取所監(jiān)測數據進行處理分析后得出對應的控制策略。監(jiān)控管理層通過以太網獲取并實時顯示主通風系統的運行狀態(tài)，并對出現異常的情況進行報警。

圖2 主通風系統監(jiān)控系統示意圖

3 監(jiān)控系統的硬件設計

主通風系統監(jiān)控系統的硬件設備主要包括有PLC控制系統、變頻調速系統以及對應通風系統運行參數監(jiān)測設備的選型設計。

3.1 PLC控制系統的設計

PLC控制系統作為監(jiān)控系統的核心系統，其功能是根據工作面對通風量的需求進行監(jiān)測和主通風機風量的獲取，通過對二者數據進行對比分析后，得出相應的控制策略，從而實現對通風機風量的增大或減小的控制。PLC控制器為PLC控制系統的核心，其控制精度及響應特性直接決定控制策略的正確性和有效性。結合以往PLC選型經驗及產品現狀調研的基礎上，選擇PLC控制器的型號為S7-200系列，與該系列PLC配套的模塊如表1所示。

表1 S7-200系列PLC配套模塊

3.2 變頻器及監(jiān)測設備的選型

變頻器為變頻調速控制系統的核心，針對通風機的變頻器的選型為ACS800-04P。針對主通風監(jiān)控系統的監(jiān)測要求及控制任務要求，對應的監(jiān)測設備的選型結果如表2所示。

4 主通風系統監(jiān)控系統的軟件設計

根據主通風系統的工作任務要求及監(jiān)控系統的功能要求，主通風系統監(jiān)控系統的軟件設計如圖3所示。

如圖3所示：監(jiān)控系統為每臺通風機均配置了對應的變頻器，并以1號通風機為主通風機，2號通風機為備用通風機，當1號通風機運行出現故障時啟動2號通風機。通過對1號通風機運行參數的監(jiān)測及工作面風量的需求控制1號變頻器的頻率，從而實現對1號通風機電機轉速及風量進行控制。

表2 監(jiān)測設備選型結果

圖3 監(jiān)控系統軟件設計流程圖

5 結語

通風系統為綜采工作面的呼吸系統，將工作面的瓦斯、粉塵等排除的同時，為工作面提供新鮮空氣，在保障作業(yè)人員人身安全的同時也為保證綜采工作面的采煤效率奠定了基礎。為進一步提升通風系統對風量調節(jié)的自動化程度，根據其控制任務需求將在線監(jiān)測系統、變頻調速系統以及PLC控制系統相結合得到主通風系統的監(jiān)控系統，能夠根據工作面風量的實時需求量和風機的實時運行狀態(tài)通過變頻調速技術實現對風機風量的實時控制。