煤礦主通風(fēng)機(jī)無(wú)人值守系統(tǒng)探究

張鎖仁

摘? 要：礦井空氣通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是保證煤礦安全清潔生產(chǎn)的重要關(guān)鍵設(shè)備，礦井主通風(fēng)機(jī)作為煤礦中最重要的通風(fēng)設(shè)備，又被稱為“煤礦之肺”，主通風(fēng)機(jī)的可靠運(yùn)行是保證煤炭開(kāi)采作業(yè)正常安全進(jìn)行的必要前提。由通風(fēng)機(jī)為主要設(shè)備所構(gòu)成的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的主要任務(wù)是向井下運(yùn)送新鮮空氣，并控制井下有害氣體、瓦斯及粉塵的濃度，如果通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生故障，將會(huì)給井下生產(chǎn)作業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。因此針對(duì)通風(fēng)機(jī)建立一套安全、可靠、智能的監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)對(duì)提高煤炭生產(chǎn)的效率和安全性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：煤礦;通風(fēng)機(jī);無(wú)人值守系統(tǒng)

引言

我國(guó)早期煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的供電方式大多采用單電源回路，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，可靠性低下，時(shí)常發(fā)生意外斷電斷風(fēng)等問(wèn)題，極易造成井下有害氣體或粉塵濃度急劇增大，給井下煤炭開(kāi)采作業(yè)帶來(lái)十分嚴(yán)重的安全隱患;同時(shí)相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)在通風(fēng)環(huán)節(jié)出現(xiàn)意外時(shí)無(wú)法保證故障信息的及時(shí)上傳，風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)精度及響應(yīng)速度普遍低下，無(wú)法實(shí)時(shí)掌握主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，且風(fēng)機(jī)的控制操作繁瑣復(fù)雜，無(wú)法在主通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障被迫停機(jī)時(shí)及時(shí)切換至備用風(fēng)機(jī)保障井下通風(fēng)，不能滿足目前煤礦智能化監(jiān)控的需求。雖然目前國(guó)內(nèi)已對(duì)礦井通風(fēng)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究及改進(jìn)，但由于國(guó)外對(duì)先進(jìn)通風(fēng)監(jiān)控設(shè)備及技術(shù)的壟斷，導(dǎo)致我國(guó)煤炭開(kāi)采智能化的發(fā)展受到嚴(yán)重制約。

1煤礦主通風(fēng)機(jī)存在的問(wèn)題

①無(wú)法根據(jù)瓦斯?jié)舛茸赃m應(yīng)調(diào)整風(fēng)速、風(fēng)量，出現(xiàn)“一風(fēng)吹”的現(xiàn)象。②當(dāng)瓦斯?jié)舛冉档椭涟踩秶畠?nèi)時(shí)，局部通風(fēng)機(jī)仍然正常工作，電能浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。③當(dāng)瓦斯?jié)舛韧蝗辉黾訒r(shí)，局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、風(fēng)量達(dá)不到稀釋瓦斯?jié)舛鹊囊螅嬖谳^大的安全隱患。④局部通風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象，長(zhǎng)期處于工頻運(yùn)行狀態(tài)。

2煤礦主通風(fēng)機(jī)無(wú)人值守系統(tǒng)

2.1煤礦主通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)

礦井主通風(fēng)機(jī)素有“礦井肺腑”之稱，擔(dān)負(fù)著向煤礦井下工作面輸送新鮮空氣、排出有毒有害氣體和粉塵的重任，是保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)煤礦安全生產(chǎn)的重要工作。礦井通風(fēng)機(jī)作為礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要通風(fēng)設(shè)備，在日常生產(chǎn)中由于通風(fēng)機(jī)數(shù)量較多，在正常運(yùn)行過(guò)程中通風(fēng)機(jī)存在間歇時(shí)間長(zhǎng)、通風(fēng)效率低、低負(fù)載運(yùn)行等問(wèn)題，嚴(yán)重浪費(fèi)電能。所以對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速是十分重要的。

2.1.1自適應(yīng)模糊PID控制技術(shù)

傳統(tǒng)通風(fēng)機(jī)有大慣性、模型時(shí)變及大時(shí)滯等特性，其運(yùn)行過(guò)程中的控制量不能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的擾動(dòng)，所以通風(fēng)機(jī)的控制十分復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，智能化逐步運(yùn)用于礦井開(kāi)采中，基于自適應(yīng)模糊PID控制可以較好地實(shí)現(xiàn)變頻控制。自適用模糊PID控制器是采用自適應(yīng)模糊推理的方式，對(duì)PID調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。自適用模糊PID控制器的工作流程為對(duì)控制器進(jìn)行給定值的輸入，給定值輸入后對(duì)給定值與實(shí)際值進(jìn)行比較分析，確定兩者的差值，此時(shí)模糊推理控制模塊會(huì)對(duì)差值進(jìn)行分析，從而得出修改PID控制器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)一直持續(xù)循環(huán)以上過(guò)程，實(shí)現(xiàn)控制器的最優(yōu)化管理。通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)原理同樣是對(duì)給定值進(jìn)行一系列的計(jì)算，從而對(duì)比得出變頻器輸入量，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制，達(dá)到控制風(fēng)量的目的。對(duì)比分析自適應(yīng)模糊PID控制與模糊控制響應(yīng)曲線，首先進(jìn)行仿真模擬的數(shù)據(jù)設(shè)置。由于兩者為單一變量對(duì)比，所以兩者的參數(shù)設(shè)置應(yīng)當(dāng)一致，完成模型的設(shè)置后進(jìn)行仿真。

2.1.2變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)仿真研究確定了自適應(yīng)模糊PID控制技術(shù)后，對(duì)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。PLC控制器選定S7-400H為核心控制器，利用傳感器對(duì)系統(tǒng)的風(fēng)壓等參數(shù)進(jìn)行采集，通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)控制器與變頻器的數(shù)據(jù)交流，同時(shí)利用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)的顯示。PLC控制器的輸出電流為10A，接口模塊為IMI153，數(shù)字量輸出輸入模塊分別為6ES7322-1CF0-0AA0和6ES7321-7BH01-0AB0，模擬量的輸入輸出模塊分別為6ES7331-7KF02-0AB0和6ES7322-5HF00-0AB0，與上位機(jī)采用CP1623通信板卡連接。

2.2礦用地面壓風(fēng)機(jī)無(wú)人值守系統(tǒng)

礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是保證井下安全作業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，郭莊煤礦現(xiàn)布置的壓風(fēng)機(jī)組在工作過(guò)程中常出現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)、中斷停機(jī)等現(xiàn)象，因此，需要設(shè)計(jì)新的壓風(fēng)機(jī)組智能化監(jiān)測(cè)方案，達(dá)到提高礦井開(kāi)采效率以及保證煤礦安全生產(chǎn)的目標(biāo)。筆者重點(diǎn)通過(guò)對(duì)郭莊煤礦壓風(fēng)機(jī)組的測(cè)試裝置和采集系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，優(yōu)化了無(wú)人值守通風(fēng)系統(tǒng)的控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的全智能控制，提高地面通風(fēng)設(shè)備無(wú)人值守系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警靈敏性和智能調(diào)控可靠性，保障礦井工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)提高礦井的開(kāi)采作業(yè)效率。智能化無(wú)人值守通風(fēng)系統(tǒng)選用PLC控制系統(tǒng)為主控制，搭配各參數(shù)采集模塊和通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、風(fēng)機(jī)控制單元、變頻器等，采集模塊對(duì)應(yīng)不同類(lèi)型的傳感器或者測(cè)試裝置，具體包括風(fēng)門(mén)控制裝置、風(fēng)量閥門(mén)、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及加速度傳感器，溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)壓風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)溫度，起到預(yù)警調(diào)溫的作用，壓力傳感器用于測(cè)試壓風(fēng)機(jī)送風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)壓值，實(shí)時(shí)向控制系統(tǒng)傳輸風(fēng)壓信號(hào)值，保證壓風(fēng)機(jī)持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，流量傳感器用于測(cè)試壓風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口以及管路的風(fēng)量大小，加速度傳感器用于監(jiān)控壓風(fēng)機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)，綜上，集合總成了壓風(fēng)機(jī)無(wú)人值守系統(tǒng)，通過(guò)各測(cè)試傳感器的信號(hào)監(jiān)測(cè)，同時(shí)與主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換傳輸可確保壓風(fēng)機(jī)壓風(fēng)特性穩(wěn)定，使通風(fēng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更高效穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)了空壓機(jī)的工作壽命，并且使工作能耗降至最小。

2.3礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

壓力傳感器、溫度傳感器和振動(dòng)傳感器等都會(huì)被安裝在通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的物理層中，以下便是各種傳感器的作用以及設(shè)計(jì)具體的電路連接方式。①壓力傳感器。井下的環(huán)境比較艱苦，需要實(shí)時(shí)感知周?chē)目諝鈮毫?，確保通風(fēng)排氣的正常進(jìn)行。選擇JQYB-A1型的氣體壓力傳感器安置在通風(fēng)機(jī)機(jī)房的周?chē)?，并外?4V的電源為其供電，該傳感器具有極性反相保護(hù)功能，而且抗干擾能力強(qiáng)，能夠很好的適應(yīng)井下的環(huán)境。②溫度傳感器。因?yàn)橥L(fēng)機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間的將空氣一直輸送到礦井中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和機(jī)軸等位置的溫度會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的工作而持續(xù)升高，因此需要對(duì)這些部位的溫度進(jìn)行測(cè)量，避免溫度過(guò)高，燒毀電機(jī)。將型號(hào)為PT100的溫度傳感器放置在機(jī)軸附近，并外接24V的電源為其供電，同時(shí)連接一個(gè)熱電偶。③振動(dòng)傳感器。通風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)發(fā)生無(wú)規(guī)則的振動(dòng)，如果振動(dòng)的頻率過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒毀，還可能會(huì)破壞軸承，使得葉片變形，通風(fēng)機(jī)也會(huì)因此損壞。所以，要選擇靈敏度比較高的CD-21-S型振動(dòng)傳感器對(duì)電機(jī)的振動(dòng)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保在電機(jī)的振動(dòng)速度加快時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻率的變化。

結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的煤礦主通風(fēng)機(jī)無(wú)人值守系統(tǒng)能夠?qū)χ魍L(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)電流、溫度、振動(dòng)、風(fēng)量、風(fēng)壓、頻率等工況實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警功能，有關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢，地面調(diào)度室或集控中心遠(yuǎn)程控制主通風(fēng)機(jī)啟停。該系統(tǒng)穩(wěn)定性高、易操作，具有靈活的運(yùn)行方式，便于管理、維護(hù)，有效地推動(dòng)了煤礦通風(fēng)智能化管理的發(fā)展進(jìn)程。

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