礦用通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)性能改進(jìn)分析

摘 要：我國(guó)礦產(chǎn)儲(chǔ)量豐富，礦產(chǎn)的開發(fā)不僅能夠?yàn)殡娏こ梯斔驮丛床粩嗟哪茉?，還能為其他各行業(yè)的生產(chǎn)帶來相應(yīng)的原材料。我國(guó)自改革開放以來，大力發(fā)展采礦產(chǎn)業(yè)，時(shí)至今日，采礦產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)重要的產(chǎn)業(yè)之一，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大的貢獻(xiàn)，也在一定程度上提高了人們的生活水平。在采礦過程中，礦用通風(fēng)機(jī)是必不可少的，它不僅能夠?qū)⒌V井下的危險(xiǎn)氣體排出，保證井下作業(yè)人員的生命安全，還能在適當(dāng)降低井下的環(huán)境溫度，在一定程度上提高了作業(yè)的舒適程度。現(xiàn)如今，通風(fēng)機(jī)的性能正在日漸強(qiáng)大，運(yùn)行效率的提高也成為通風(fēng)機(jī)的重要研發(fā)方向。本文以通風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出幾點(diǎn)改善通風(fēng)機(jī)性能的方法。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)機(jī);控制系統(tǒng);性能改進(jìn)

0 引言

隨著我國(guó)煤礦開采力度的加大，釆礦作業(yè)的安全性也得到了越來越多的重視。在我國(guó)提倡“安全生產(chǎn)”、“綠色開發(fā)”等理念之后，釆礦的安全作業(yè)要求就更上了一個(gè)層次，成為各煤礦高度重視的課題。通風(fēng)機(jī)作為礦井下常用的設(shè)備之一，對(duì)礦井下維持良好的作業(yè)環(huán)境有著非常重要的作用。礦井通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行能夠最大限度保證礦井下空氣的通暢。不過由于礦井環(huán)境通常較為惡劣，加上通風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，很容易因?yàn)槌?fù)荷而產(chǎn)生故障，導(dǎo)致性能下降，無法滿足當(dāng)前礦井開發(fā)的需求，更嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致礦井下危險(xiǎn)氣體囤積，給作業(yè)人員的人身安全帶來嚴(yán)重威脅。通風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)作為設(shè)備中非常關(guān)鍵的組成，其中的PLC控制模塊、變頻器、通訊連接模塊等多部分的性能都會(huì)影響通風(fēng)機(jī)的整體表現(xiàn)，要想提升通風(fēng)機(jī)的整體性能，需要對(duì)這些模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓通風(fēng)機(jī)在保持更長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，發(fā)揮更好的通風(fēng)作用。

1 通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

礦用通風(fēng)機(jī)是井下作業(yè)必不可少的設(shè)備，常用的通風(fēng)機(jī)包括主通風(fēng)機(jī)和輔助通風(fēng)機(jī)兩個(gè)部分，通風(fēng)機(jī)整體設(shè)置有一個(gè)進(jìn)風(fēng)口和兩個(gè)出風(fēng)口?，F(xiàn)在普遍在礦井作業(yè)中使用的通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)大體相同，主要有一級(jí)葉輪、二級(jí)葉輪、集流器、擴(kuò)壓器、整流罩、消音器等。這些部件各自發(fā)揮功能，使得通風(fēng)機(jī)整體達(dá)到預(yù)期的通風(fēng)效果。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐，這一套結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠較好地應(yīng)對(duì)礦井排風(fēng)需求。目前市售通風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)主要由各類傳感器、PLC模塊、配電柜、顯示界面、變頻器等多個(gè)部分組成，其中溫度傳感器復(fù)雜監(jiān)控礦井內(nèi)的溫度，電量采集模塊負(fù)責(zé)控制通風(fēng)機(jī)的電能供應(yīng)，變頻器負(fù)責(zé)調(diào)解通風(fēng)機(jī)的功率，以讓其在不同負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，保持最佳的礦井環(huán)境。這些模塊共同組成了通風(fēng)機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，可以通過傳感器對(duì)井下環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將溫度變化、震動(dòng)情況、通風(fēng)量等一些列參數(shù)傳輸回控制中心，并由控制中心的技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

在控制的過程中，通風(fēng)機(jī)首先利用前端的傳感器對(duì)于環(huán)境中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和收集，并將數(shù)據(jù)信號(hào)通過通訊模塊傳輸?shù)絇LC控制模塊中，并在PLC控制模塊中完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理，將處理之后的信號(hào)顯示在顯示屏上，并針對(duì)通風(fēng)機(jī)的各種故障發(fā)出不同的警報(bào)，并根據(jù)不同的情況執(zhí)行安全切斷設(shè)備等操作。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制模塊的匹配設(shè)計(jì)

PLC是市場(chǎng)上較為成熟的控制模塊，經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)如今PLC控制模塊的采集精度已經(jīng)非常高了，而且運(yùn)行速度也照過去有了大幅的提升，在各種設(shè)備控制領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。PLC控制模塊是通風(fēng)機(jī)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中最為核心的部分，它的運(yùn)行效率和精度對(duì)設(shè)備在井下的使用壽命會(huì)產(chǎn)生非常直接的影響。所以，在對(duì)這一模塊進(jìn)行功能優(yōu)化時(shí)，可以選用SIMATIC S7-200系列控制模塊，這類控制模塊性能較好，而且功能強(qiáng)大，不僅具有CPU、存儲(chǔ)卡、通訊接口等信息處理和傳輸?shù)谋貍浣Y(jié)構(gòu)，還有24路的CPU數(shù)字輸入量以及16路的數(shù)字輸出量。SIMATIC S7-200控制模塊采用了CP243-1的以太網(wǎng)模塊，能夠良好完成和上機(jī)位的數(shù)據(jù)交互任務(wù)。它的額定工作電壓是24VDC，接口型號(hào)為RS45，整體傳輸速度達(dá)到了10/100Mbit/s，性能優(yōu)異。不僅如此，它還可以通過STEP7編程來對(duì)程序進(jìn)行修改和更新，以此來完成更為復(fù)雜的任務(wù)，PLC模塊的性能借此實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

2.2 變頻器匹配設(shè)計(jì)

一般來說，礦用通風(fēng)系統(tǒng)需要配備兩臺(tái)以上的通風(fēng)機(jī)，稱作主通風(fēng)機(jī)和輔助通風(fēng)機(jī)。而且每臺(tái)通風(fēng)機(jī)還有單級(jí)運(yùn)行和多級(jí)運(yùn)行兩種模式，也就是說，系統(tǒng)中至少需要安裝4各變頻器。當(dāng)電機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，變頻器也要隨之執(zhí)行相應(yīng)的操作。所以，變頻器選用了ACS800-04P型號(hào)，這一型號(hào)的變頻器由系統(tǒng)儲(chǔ)能、整流、逆變和控制元件構(gòu)成，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試和生產(chǎn)實(shí)踐，這一型號(hào)的變頻器性能穩(wěn)定，而且可實(shí)現(xiàn)程序的編輯，控制精度相對(duì)較高，能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的功能。當(dāng)變頻器接入高電壓時(shí)，變頻器內(nèi)部借助整流、逆變等功能，將電流轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)運(yùn)行所需的直流電，保證設(shè)備的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 設(shè)備內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信參數(shù)設(shè)計(jì)

通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的通信參數(shù)，其中最主要的就是PLC中央處理器和變頻器、模擬量模塊、溫度監(jiān)測(cè)儀、電量模塊等工作時(shí)之間互通產(chǎn)生的通信參數(shù)。這些參數(shù)都是通過Modus總線進(jìn)行傳輸?shù)?。還有一部分通訊參數(shù)是上機(jī)位控機(jī)和軟件之間發(fā)生互通時(shí)產(chǎn)生的參數(shù)，這類參數(shù)的傳輸是通過以太網(wǎng)通訊模塊進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)的，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，能夠很好地承擔(dān)起控制系統(tǒng)內(nèi)部的信息傳輸工作，確保通風(fēng)機(jī)的一部分控制需求能夠得到滿足。

3.2 PID閉環(huán)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

不可否認(rèn)的是，井下的環(huán)境較為復(fù)雜，通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效果不僅受氣自身零部件性能的影響，還受井下具體環(huán)境的影響。通風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量會(huì)隨著井下環(huán)境的變化而變化。所以，為了提高對(duì)通風(fēng)機(jī)的控制效果，技術(shù)人員可以對(duì)其采用PID調(diào)節(jié)。PID調(diào)節(jié)是一個(gè)閉環(huán)的算法，涉及到一定的數(shù)學(xué)計(jì)算方式，比如積分、微分等。在PID閉環(huán)算法中，系統(tǒng)首先對(duì)通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，然后將各種數(shù)值和預(yù)定的通風(fēng)量閾值進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果采取相應(yīng)的操作。當(dāng)數(shù)值達(dá)到閾值時(shí)，通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)不進(jìn)行調(diào)節(jié);當(dāng)數(shù)值沒有達(dá)到閾值時(shí)，說明通風(fēng)量并沒有達(dá)到要求，系統(tǒng)需要對(duì)通風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證通風(fēng)量滿足要求。

4 應(yīng)用效果分析

為了提高系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性，執(zhí)行了為期兩個(gè)月的應(yīng)用測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的運(yùn)行效果良好，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，能夠滿足日常井下作業(yè)的通風(fēng)要求，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中各功能的檢測(cè)。不僅如此，該系統(tǒng)還能根據(jù)傳感器收集的數(shù)據(jù)對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，借助PID實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。另外，當(dāng)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)溫度過高、風(fēng)壓過高的情況時(shí)，還能借助警報(bào)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，提醒控制中心的技術(shù)人員，由地面控制中心第一時(shí)間采取應(yīng)對(duì)措施。測(cè)試表明，該系統(tǒng)的運(yùn)用整體上提高了通風(fēng)機(jī)30%以上的運(yùn)行效率，同時(shí)降低了檢修成本，為企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

礦用通風(fēng)機(jī)的性能對(duì)井下作業(yè)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生非常顯著的影響，反之，井下作業(yè)環(huán)境也在一定程度上影響通風(fēng)機(jī)的使用效果。企業(yè)要加大力度對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行優(yōu)化，讓它能夠在各種復(fù)雜的井下環(huán)境中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、高效的作業(yè)。測(cè)試表明，該控制系統(tǒng)大幅提升了通風(fēng)機(jī)的性能，并降低了故障發(fā)生的概率，同時(shí)節(jié)約了檢修成本。本文針對(duì)礦用通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的性能改進(jìn)提供了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例，經(jīng)測(cè)試證明穩(wěn)定、高效，希望各采礦企業(yè)加以參考，并結(jié)合具體的井下環(huán)境，對(duì)通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

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作者簡(jiǎn)介：

劉勝（1978- ），男，籍貫：山西省沁縣，學(xué)歷：本科，現(xiàn)從事于陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司，主要從事礦山機(jī)電工作。