通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

尚 鵬

（陽(yáng)煤寺家莊有限責(zé)任公司， 山西 昔陽(yáng) 045000）

引言

煤礦綜采工作面的生產(chǎn)系統(tǒng)是由采煤機(jī)生產(chǎn)系統(tǒng)、刮板輸送機(jī)、帶式運(yùn)輸機(jī)和提升機(jī)以及絞車組成的運(yùn)輸系統(tǒng)，液壓支架、錨桿支護(hù)系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)以及液壓泵站系統(tǒng)等組成。只有各個(gè)分系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行才能夠確保綜采工作面煤炭的生產(chǎn)效率。通風(fēng)系統(tǒng)作為礦井的呼吸系統(tǒng)，主要為綜采工作面提供新鮮的空氣，保證工作面瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度等符合《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的耗電量占據(jù)煤礦總耗電量的25%左右，造成其耗電量大的主要原因?yàn)椋和L(fēng)機(jī)通風(fēng)效率低，通風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于“大馬拉小車”的狀態(tài)運(yùn)行[1]。因此，為降低通風(fēng)系統(tǒng)的耗電量，需根據(jù)工況對(duì)通風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)能、提高通風(fēng)效率的目的。

1 風(fēng)量調(diào)節(jié)方案的確定

通風(fēng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)計(jì)算中，為了保證其在應(yīng)用中能夠滿足工作面的通風(fēng)需求。一般情況下，通風(fēng)系統(tǒng)的額定負(fù)壓為其實(shí)際負(fù)壓的110%，即余量10%，進(jìn)而導(dǎo)致其在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況。為此，需對(duì)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)前，可用于對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)的方式包括有對(duì)其入口導(dǎo)流器進(jìn)行調(diào)節(jié)，動(dòng)葉調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)等。

其中，針對(duì)入口導(dǎo)流器調(diào)節(jié)其本質(zhì)是對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的風(fēng)阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，此種調(diào)節(jié)方式所需時(shí)間過長(zhǎng)，且調(diào)節(jié)過程相對(duì)復(fù)雜不適用于工作面。

動(dòng)葉調(diào)節(jié)的核心是對(duì)通風(fēng)機(jī)葉片的角度進(jìn)行調(diào)整，由于葉片結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜采用此種方式實(shí)施難度較大，還會(huì)降低通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)效率[2]。此外，對(duì)通風(fēng)機(jī)葉片角度進(jìn)行調(diào)整存在極大的安全隱患。

變頻調(diào)節(jié)是基于變頻器通過改變通風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)通風(fēng)量調(diào)節(jié)的目的。

綜上所述，將采用變頻調(diào)節(jié)的原理對(duì)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了保證對(duì)風(fēng)量調(diào)節(jié)的控制效果，將采用矢量控制的方式提高通風(fēng)機(jī)電機(jī)的性能。變頻器工作原理如圖1 所示。

圖1 變頻器工作原理

2 風(fēng)量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于Simulink 軟件建立通風(fēng)機(jī)風(fēng)量變頻調(diào)節(jié)控制模型，風(fēng)量變頻調(diào)節(jié)模塊所采用的算法為SVPWM模塊。

2.1 風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1）散控制系統(tǒng)指的是采用分散控制，集中操作的方式。集散控制的核心為分散的控制系統(tǒng)基于現(xiàn)場(chǎng)傳感器等測(cè)量設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所監(jiān)測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、處理和控制的目的[3]。

2）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)為將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和總線結(jié)合為一體的控制系統(tǒng)。與集散控制系統(tǒng)相比較，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)具有開放性、智能性和通信雙向性的優(yōu)勢(shì)。但是，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的通信方式為數(shù)字化通信，需將現(xiàn)場(chǎng)與該系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的投入成本較高[4]。

3）工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)與集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)相比較具有通信速度高、兼容性好以投入成本低的優(yōu)勢(shì)。而且，基于工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與外界互聯(lián)網(wǎng)的通信，從而實(shí)現(xiàn)資源共享。

綜上所述，采用工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量系統(tǒng)的控制，且選用的核心控制器為PLC，該控制系統(tǒng)包括有信息管理層、集散控制層和現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備層。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備層的設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備層作為風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最底層，其主要由各類傳感器、智能模塊以及相對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成?，F(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備層主要是對(duì)工作面的風(fēng)量、負(fù)壓、溫度、變頻器運(yùn)行等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還包括有數(shù)字量信號(hào)輸出和變頻器頻率給定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

其中，設(shè)備層對(duì)軸承溫度、通風(fēng)機(jī)振動(dòng)參數(shù)和電機(jī)定子溫度的監(jiān)測(cè)是確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。本文著重研究對(duì)風(fēng)量信息采集的分系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5]。

風(fēng)量信息的采集采用專門設(shè)計(jì)的取壓管、壓力變送器和鋁塑管等組成。取壓管由全壓管和背壓管組成。風(fēng)量參數(shù)的采集通過獲取兩個(gè)取壓管的壓差，并通過式（1）換算得到風(fēng)量。風(fēng)量測(cè)量方法如圖2 所示。

圖2 風(fēng)量測(cè)量方法示意圖

式中：Q 為風(fēng)量；D 為通風(fēng)機(jī)的外殼直徑；d 為通風(fēng)電機(jī)的內(nèi)殼直徑；k 為修正系數(shù)；ΔP 為兩個(gè)取壓管的壓差；ρ 為所監(jiān)測(cè)氣體的密度。

2.3 集散控制層的設(shè)計(jì)

集散控制層包括有下位機(jī)PLC 站和上位機(jī)組態(tài)站。其中，下位機(jī)PLC 的主要功能是對(duì)風(fēng)量、電機(jī)軸承溫度、通風(fēng)機(jī)振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行采集，并對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行邏輯控制。組態(tài)站是為風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供人機(jī)交互的界面，基于人工交互界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、控制指令的發(fā)布等功能。

PLC 為下位機(jī)PLC 站的控制核心。在結(jié)合PLC選型經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，針對(duì)風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)選用S7-300 系列PLC，其對(duì)應(yīng)的CPU 型號(hào)為315-2PN/DP。上位組態(tài)主要是為用戶提供人機(jī)交互的界面，根據(jù)控制需求，設(shè)計(jì)如圖3 所示的上位機(jī)框圖。

圖3 上位組態(tài)軟件框圖

3 通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與仿真

為確保對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的控制精確性和實(shí)時(shí)性，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)算法對(duì)其進(jìn)行控制。將變頻調(diào)速系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)相結(jié)合，得出相應(yīng)的控制算法。此外，為上述相結(jié)合的控制算法增加了PI 控制器，得出的風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式（2）所示：

將上述調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)導(dǎo)入Simulink 軟件中，對(duì)所搭建的風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析。設(shè)定當(dāng)前礦井所需的實(shí)時(shí)風(fēng)量為9 000 m3/min，基于實(shí)時(shí)風(fēng)量通過換算得出該風(fēng)量下對(duì)應(yīng)通風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行頻率為28.2 Hz，并完成對(duì)仿真模型中變頻器的設(shè)置。風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 仿真結(jié)果

如圖4 所示，風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在獲取的工作面所需的實(shí)際風(fēng)量后通過控制通風(fēng)機(jī)電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，對(duì)應(yīng)的風(fēng)量不斷增大。當(dāng)風(fēng)量達(dá)到9 000 m3/min時(shí)，由于此時(shí)電機(jī)的頻率大于28.2 Hz，其對(duì)應(yīng)的風(fēng)量依然會(huì)上升。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到風(fēng)量大于9 000 m3/min 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)抑制頻率的增加，對(duì)應(yīng)的風(fēng)量會(huì)下降；如此反復(fù)，將風(fēng)量控制在9 000 m3/min，對(duì)應(yīng)電機(jī)的頻率為28.2 Hz。

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、振蕩小、超調(diào)量小的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提升通風(fēng)機(jī)的工作效率具有顯著效果，且能夠保證通風(fēng)機(jī)在其所需工況下運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

通風(fēng)系統(tǒng)作為礦井生產(chǎn)中的關(guān)鍵系統(tǒng)，其主要功能是為綜采工作面提供新鮮的空氣，保證工作面的安全生產(chǎn)和作業(yè)人員的身心健康。本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)工作面的風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和變頻調(diào)速控制理論對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而解決通風(fēng)機(jī)工作效率低，“大馬拉小車”的問題，對(duì)實(shí)現(xiàn)綜采工作面的節(jié)能生產(chǎn)和提升采煤效率具有實(shí)際意義。