高瓦斯煤礦局部通風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

曹建文

(1.中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006； 2.煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006)

煤礦通風(fēng)機(jī)用于將井下有毒有害氣體及煤塵排出井外，將瓦斯?jié)舛认♂屩涟踩秶瑫r將足量的新鮮空氣送至井下，保證井下安全生產(chǎn)、改善工人勞動環(huán)境。常用的井下通風(fēng)機(jī)有軸流式、離心式，其中主要用于掘進(jìn)工作面的局部通風(fēng)機(jī)流量小、風(fēng)壓小，多采用軸流式交流異步電動機(jī)。傳統(tǒng)局部通風(fēng)機(jī)面臨的核心問題是“一風(fēng)吹”、“大馬拉小車”，運(yùn)行效率最低僅為30%，一般運(yùn)行效率為40%～60%，電能浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重[1-3].局部通風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用變頻模式時的優(yōu)點(diǎn)主要有：1)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速、提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率、節(jié)約電能。2)降低通風(fēng)機(jī)啟動電流，減小對機(jī)械、電氣元器件的電流沖擊，延長元器件使用壽命。3)利用變頻器自身保護(hù)功能，提高局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性。因此，研究運(yùn)行于高瓦斯煤礦的局部通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)意義重大。

1 原理分析

1.1 變頻調(diào)速基本原理

由電機(jī)拖動原理可知，交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可表示為[4]：

(1)

式中，f1為電動機(jī)定子頻率，p為磁極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，ω1為角頻率。根據(jù)式(1)可知，通過改變電動機(jī)定子頻率可調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速。但是單純改變f1時，會影響電動機(jī)的機(jī)械特性、轉(zhuǎn)差率，因此常用的變頻調(diào)速控制方式有3種：

1)恒磁通調(diào)壓調(diào)頻調(diào)速。

根據(jù)交流異步電動機(jī)感應(yīng)電動勢、定子電壓、電磁轉(zhuǎn)矩與磁通等關(guān)系，得到：

Φ1=U1/Kf1

(2)

Te=CmΦ1I2cosφ

(3)

其中，Φ1為電動機(jī)每極磁通，U1為定子電壓，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，Cm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，I2為轉(zhuǎn)子側(cè)電流折算至定子側(cè)后的電流有效值，cosφ為轉(zhuǎn)子電路U、W、V相的功率因數(shù)。根據(jù)式(2)以及式(3)可知，保持U1/f1不變，Φ1恒定，Te恒定，完成對交流異步電動機(jī)的調(diào)速。

2)恒功率調(diào)速。

調(diào)速過程時，保持f1與Te一定關(guān)系，使得異步電動機(jī)的功率P(P=Teω=Te·2πn)恒定，完成異步交流電動機(jī)的調(diào)速。

3)轉(zhuǎn)差率調(diào)速。

交流異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)差率較小。調(diào)速過程中，保持定子電流不變，Φ1不變，則Te與ω1成近似正比關(guān)系，即調(diào)節(jié)角頻率ω1即可達(dá)到控制交流異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而完成調(diào)速過程。

1.2 礦井用風(fēng)機(jī)性能分析

礦井用通風(fēng)機(jī)性能曲線一般通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行繪制，采用二次、三次或者五次多項式進(jìn)行擬合，一般二次多項式擬合曲線可滿足礦井通風(fēng)需求，通風(fēng)機(jī)性能的擬合多項式可表示為[5]：

P=AQ2+BQ+C

(4)

其中，P為通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；Q為通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；A、B、C為常數(shù)，可用最小二乘法求出。

2 方案設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

高瓦斯煤礦局部通風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案框圖見圖1，由兩個ARM9微處理器組成冗余變頻控制系統(tǒng)1以及變頻控制系統(tǒng)2.每個變頻控制由調(diào)速控制器、模糊控制器兩部分組成，分別完成對局部通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制器和對瓦斯?jié)舛?、風(fēng)壓的模糊PID控制，并將局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)時、在線監(jiān)控局部通風(fēng)機(jī)。每個變頻控制系統(tǒng)需處理3個瓦斯?jié)舛葌鞲衅饕约?個風(fēng)壓傳感器數(shù)據(jù)，通過周期性采集瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù)值，分析當(dāng)前時刻工作面的瓦斯?jié)舛?，并完成對局部通風(fēng)機(jī)的變頻控制，控制風(fēng)壓、風(fēng)量，保證瓦斯?jié)舛炔怀?，保障該工作面的安全生產(chǎn)。

圖1 高瓦斯煤礦局部通風(fēng)機(jī)智能變頻系統(tǒng)總體設(shè)計方案框圖

2.2 硬件設(shè)計

高瓦斯煤礦局部通風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計以微處理器為核心，選用西門子S7-1200X系列控制器，部分I/O地址分配見表1.

表1 控制器I/O地址分配表

瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟x用KGJ16B型紅外瓦斯監(jiān)測儀，測量范圍為0～4%，可輸出200～1 000 Hz頻率信號，也可輸出1～5 mA電流信號，響應(yīng)時間小于20 s.T0以及T1瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑贾糜诰蜻M(jìn)工作面附近；T2瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑贾糜诰蜻M(jìn)工作面的新風(fēng)流與瓦斯氣體均勻位置，且風(fēng)量穩(wěn)定[6-7]，T2監(jiān)測工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓ｏL(fēng)壓傳感器選用CYB21型微差壓變送器，內(nèi)置的高精度、高穩(wěn)定性微壓力敏芯片具備溫度補(bǔ)償、線性補(bǔ)償、信號放大等功能，可精確測量巷道內(nèi)的風(fēng)微差壓。該風(fēng)壓傳感器的量程為0～3 kPa，輸出為二線制4～20 mA電流信號，測量精度優(yōu)于0.1%FS.T3風(fēng)壓傳感器布置于風(fēng)機(jī)管道直線部分，真實(shí)反應(yīng)管網(wǎng)中的風(fēng)壓變化，準(zhǔn)確位置為距離通風(fēng)機(jī)5倍風(fēng)筒直徑位置。風(fēng)壓、瓦斯?jié)舛葌鞲衅饔布B接電路見圖2.

圖2 傳感器硬件連接圖

2.3 軟件設(shè)計

高瓦斯煤礦局部通風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)軟件設(shè)計基于模塊化編程實(shí)現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)功能將軟件系統(tǒng)分為主程序模塊、初始化子程序模塊0、模擬量檢測子程序模塊1、瓦斯?jié)舛茸映绦蚰K2、風(fēng)壓子程序模塊3以及中斷子程序模塊4，主程序流程見圖3.

圖3 高瓦斯煤礦局部通風(fēng)機(jī)智能變頻控制軟件系統(tǒng)主流程圖

子程序模塊0需完成瓦斯?jié)舛炔蓸悠骄档某跏蓟?、風(fēng)壓采樣平均值的初始化、模擬輸出電壓以及工頻風(fēng)量計算系數(shù)的初始化并置位瓦斯?jié)舛葮O限值。子程序模塊1需檢查擴(kuò)展的模擬量處理模塊是否有效連接且能夠正常工作；當(dāng)連接有錯誤時需將錯誤標(biāo)志位置位。子程序模塊2用于對瓦斯?jié)舛葌鞲衅?—3的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；從模擬量處理模塊接收到瓦斯?jié)舛葌鞲衅饔行?shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)并存入變量VD200中；循環(huán)讀取瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑蓸又?，并求N1次采樣值的算術(shù)平均值，存入變量VW1.3個瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯腘1次采樣算術(shù)平均值分別由變量VW1、VW2以及VW3存儲。子程序模塊3用于對風(fēng)壓傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將N2次風(fēng)壓傳感器采樣值的算術(shù)平均值存入變量VW4后，根據(jù)風(fēng)壓實(shí)際值與數(shù)字量的線性關(guān)系，將風(fēng)壓VW4值轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓實(shí)際值；根據(jù)風(fēng)機(jī)模擬輸入電壓與壓力(U-P)的理論擬合方程，計算變頻器的模擬輸入電壓值；根據(jù)風(fēng)機(jī)工頻流量與風(fēng)壓(Q-P)的理論擬合方程，計算風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行的流量值[8].中斷處理程序4用于處理子程序模塊2的瓦斯?jié)舛戎?，分別判斷瓦斯?jié)舛仁欠癯^2%、1.5%以及1.1%，如果超限，則置位控制系統(tǒng)中的斷電標(biāo)志位；如果沒有超限，則將滿足瓦斯?jié)舛纫约帮L(fēng)量要求的電壓較大值存入寄存器VD600.將VD600中的模擬電壓值判斷是否滿足子程序3計算出的實(shí)際電壓值，如果滿足，則將其轉(zhuǎn)換成0～32 000的數(shù)字量并輸出給變頻器，用于對風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。該中斷程序每500 ms運(yùn)行一次，輸出用于控制變頻器的模擬電壓值，改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)量。

3 試驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室對設(shè)計并實(shí)現(xiàn)的高瓦斯煤礦局部通風(fēng)機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)完成試驗(yàn)分析，包括風(fēng)量試驗(yàn)、瓦斯?jié)舛仍囼?yàn)兩部分。

1)風(fēng)量試驗(yàn)。

風(fēng)量試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證控制系統(tǒng)能否按照設(shè)定風(fēng)量輸出模擬電壓值，并調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以滿足井下風(fēng)量要求。通過調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，調(diào)節(jié)管網(wǎng)阻力變化，利用壓力傳感器實(shí)時采集風(fēng)壓信號并傳送至微控制器。同時用萬用表測量壓力傳感器輸出電壓、用轉(zhuǎn)速儀測量風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速并與理論值進(jìn)行對比，形成表2.由表2可知，采用變頻控制模式后，變頻器運(yùn)行頻率可根據(jù)風(fēng)壓信號的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)并控制風(fēng)機(jī)輸出不同的轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能的目的。

表2 局部通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)風(fēng)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2)瓦斯?jié)舛仍囼?yàn)。

瓦斯?jié)舛仍囼?yàn)的目的是驗(yàn)證控制系統(tǒng)將采集到的瓦斯?jié)舛入妷盒盘柵c設(shè)定的瓦斯?jié)舛认薅ㄖ颠M(jìn)行比較和邏輯判斷，控制變頻器輸出自適應(yīng)頻率并實(shí)時調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使得瓦斯?jié)舛冗_(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)值。試驗(yàn)時，采用直流穩(wěn)壓電源輸出電壓信號用于模擬瓦斯?jié)舛戎担瑐魉椭廖⒖刂破?。用萬用表測量微處理器輸出給變頻器的模擬電壓，同時用轉(zhuǎn)速儀測量風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，形成表3.由表3可知，采用變頻控制模式后，風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速可根據(jù)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛戎底赃m應(yīng)變化，保證巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛仍诎踩秶畠?nèi)。

表3 局部通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)瓦斯?jié)舛仍囼?yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)束語

對高瓦斯煤礦局部通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計一種雙冗余變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，基于變頻調(diào)速原理，輸入電壓與風(fēng)量、風(fēng)壓的關(guān)系，設(shè)計調(diào)速控制器和模糊控制器，根據(jù)井下瓦斯?jié)舛群蛯?shí)際需風(fēng)量對局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，杜絕“一風(fēng)吹”、“大馬拉小車”現(xiàn)象，在提高局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率的同時，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。