礦井動(dòng)葉可調(diào)主通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭大海

（山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦， 山西 呂梁 033199）

0 引言

礦井通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)實(shí)際上是一種信息管理系統(tǒng)，主要承擔(dān)礦井主通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制的工作，以滿足對(duì)煤礦主通風(fēng)機(jī)的監(jiān)控管理、故障診斷和處理及其現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)管理的自動(dòng)化需求，在一定程度上提高了對(duì)煤礦主通風(fēng)機(jī)以及輔助裝置的統(tǒng)一管理和安全穩(wěn)定運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)[1]。該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，則是在各種協(xié)議及協(xié)同功能的基礎(chǔ)上，與其他控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的通信，將通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速和負(fù)壓、以及電動(dòng)機(jī)的工作功率及其輸出電壓等實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)控的目的。另外，集中控制系統(tǒng)中的軟件還具有動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)機(jī)的葉片角度等功能，從而調(diào)整風(fēng)速的大小。

1 礦井主通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

現(xiàn)階段，礦井的主通風(fēng)機(jī)主要包括三種供風(fēng)方式類型，即抽出式、壓入式以及混合式，其中較為常用的應(yīng)屬抽出式通風(fēng)。該型號(hào)通風(fēng)機(jī)的主要工作原理為：經(jīng)由葉片的持續(xù)性轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，將流動(dòng)的空氣輸送到井下各工作面中。就目前來(lái)看，對(duì)旋軸流式主通風(fēng)機(jī)已經(jīng)普遍應(yīng)用到了國(guó)內(nèi)的各大礦井中，這種類型的通風(fēng)機(jī)有著許多的優(yōu)點(diǎn)，比如它供風(fēng)效率高、電能消耗較低、產(chǎn)生的噪聲小，同時(shí)設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程中有著較高的穩(wěn)定性，較小的體積優(yōu)勢(shì)使得其在安裝布置的過(guò)程中也十分方便。本文將研究對(duì)象定為FBCDZ 型對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)，這也是當(dāng)下最為流行的礦井抽出式主通風(fēng)機(jī)。如圖1 所示，為FBCDZ 型主通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成示意圖。

圖1 FBCDZ 型主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，風(fēng)機(jī)主要的組成部件包括電機(jī)、中間軸、葉輪以及用于風(fēng)流擴(kuò)散的擴(kuò)散塔。當(dāng)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，首先風(fēng)機(jī)會(huì)將空氣從進(jìn)風(fēng)口吸入葉輪中，葉輪繼續(xù)推動(dòng)著空氣進(jìn)入葉片，隨后葉片將空氣流動(dòng)的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)檩S向流動(dòng)，并最后將空氣輸送到擴(kuò)散塔中實(shí)現(xiàn)井下的風(fēng)流供給。此外，風(fēng)機(jī)中還設(shè)置有三個(gè)風(fēng)門，即主風(fēng)門、副風(fēng)門以及檢修風(fēng)門，分別承擔(dān)著風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)、調(diào)節(jié)風(fēng)流的大小以及檢修設(shè)備的作用。礦井主通風(fēng)機(jī)作為井下最關(guān)鍵的供風(fēng)設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞將直接關(guān)系到作業(yè)人員的生命安全，因此設(shè)計(jì)一套主通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)是十分有必要的。

2 通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了PLC 以及上位機(jī)聯(lián)合構(gòu)成的集中控制系統(tǒng)，可以在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中完成數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)處理、集中控制及保護(hù)、預(yù)警等工作。對(duì)于該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括上位機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)控制站點(diǎn)兩個(gè)部分構(gòu)成，在現(xiàn)場(chǎng)控制站中選用型號(hào)為S7-300型PLC 控制器，在礦井中布置兩臺(tái)FBCDZ 型對(duì)旋軸流式動(dòng)葉可調(diào)主通風(fēng)機(jī)，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用[2]。其中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為異步電機(jī)，風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變?nèi)~片的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，對(duì)于監(jiān)控信息數(shù)據(jù)的傳輸主要是經(jīng)由以太網(wǎng)傳遞至控制中心。

在該控制系統(tǒng)中，通過(guò)圖形界面與用戶交接，從而達(dá)到信息的傳遞與交互的目的。系統(tǒng)的軟件選擇WinCC，它具有集成功能強(qiáng)大、延展性強(qiáng)的特點(diǎn)。通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)相互關(guān)聯(lián)，可以將任意種類的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)以服務(wù)器的身份作用到整個(gè)信息交換系統(tǒng)中。來(lái)源于第三方的軟件可經(jīng)由COM手段對(duì)OPC 產(chǎn)品進(jìn)行訪問，從而獲得監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。系統(tǒng)中的信息經(jīng)由操作站中的軟件，通過(guò)OPC 的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布工作，連接方式為以太網(wǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)控制站點(diǎn)以及調(diào)度中心所需求的數(shù)據(jù)表由軟件進(jìn)行供應(yīng)，憑借該數(shù)據(jù)表，調(diào)度中心可以自動(dòng)化的遠(yuǎn)程控制通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的效果。工作站可以將多種傳感器接口處的信息數(shù)據(jù)展開進(jìn)一步分析工作，并將處理好的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存并傳輸?shù)讲僮髡镜臄?shù)據(jù)庫(kù)中。對(duì)于作用于現(xiàn)場(chǎng)的工作站點(diǎn)則對(duì)控制信息進(jìn)行接收，對(duì)風(fēng)機(jī)中的重要結(jié)構(gòu)如風(fēng)機(jī)葉片、冷卻泵等進(jìn)行信息采集工作，以便于更好地進(jìn)行控制。對(duì)于工作站中高壓柜的電量信息以及故障狀態(tài)的分類等則通過(guò)PLC 分站來(lái)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，并進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集及處理工作。

3 通風(fēng)機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)與控制

3.1 風(fēng)機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)的計(jì)算原理

在此集中控制系統(tǒng)中，主要通過(guò)差壓風(fēng)量監(jiān)控法來(lái)對(duì)風(fēng)量進(jìn)行在線監(jiān)控，而監(jiān)控信息的強(qiáng)度受流場(chǎng)紊亂程度的影響。將風(fēng)道中的某一局變環(huán)節(jié)的靜壓差進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)配合精密的測(cè)量?jī)x表標(biāo)定工況的風(fēng)速，以此判斷差壓和風(fēng)速之間的相互關(guān)系，并對(duì)風(fēng)速大小進(jìn)行在線檢測(cè)。對(duì)氣流損失可以忽略不計(jì)，可以將每個(gè)斷面上的全壓看作相等狀態(tài)，同時(shí)靜壓以及動(dòng)壓能夠互相變換。所以可以依照該原理，將兩個(gè)斷面分別布置在集流器以及動(dòng)輪周圍，考慮到兩個(gè)斷面的面積不同會(huì)出現(xiàn)靜壓差，根據(jù)式（1）可知，兩斷面的靜壓差就是其動(dòng)壓差，即：

式中：Q 為主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量；ρ 為密度；S1、S2為兩斷面的面積；P 為靜壓力。

在式（2）中只能說(shuō)明風(fēng)量是可以進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)的，但實(shí)際存在斷面形狀差異以及紊流損失，所以要通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最終得到了以下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：C0、C1、…、Cn都是經(jīng)由標(biāo)定后獲取的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；q 為傳感器測(cè)出的信號(hào)。

3.2 風(fēng)機(jī)葉片的調(diào)節(jié)

當(dāng)軸流式通風(fēng)機(jī)在開啟后，要想對(duì)風(fēng)機(jī)葉片角進(jìn)行調(diào)節(jié)，首先應(yīng)確定風(fēng)機(jī)的實(shí)際工況點(diǎn)。工況點(diǎn)的位置可以通過(guò)每個(gè)特殊點(diǎn)的值來(lái)獲得，但獲得的工況點(diǎn)不一定存在于風(fēng)機(jī)的特性曲線中，實(shí)際工作點(diǎn)應(yīng)根據(jù)風(fēng)機(jī)的工作阻力來(lái)確定。風(fēng)機(jī)葉片調(diào)節(jié)的動(dòng)力來(lái)源于液壓驅(qū)動(dòng)，其調(diào)節(jié)的角度有著精準(zhǔn)的刻度標(biāo)志。葉片角允許的調(diào)節(jié)范圍為-10°～120°[3]。經(jīng)由液壓驅(qū)動(dòng)的方式將葉片調(diào)節(jié)到反風(fēng)角度，以達(dá)到反風(fēng)的目的，將葉片的給定值以及角度的測(cè)量值傳輸至PLC 中。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

在對(duì)該通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，又將其應(yīng)用到實(shí)際礦井中。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以對(duì)采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建。通過(guò)液晶屏顯示通風(fēng)機(jī)的工藝流程、配電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖以及各設(shè)備間的工作狀態(tài)，針對(duì)重要性能參數(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作以及數(shù)據(jù)報(bào)表的自動(dòng)生成。此外，集中控制系統(tǒng)還能借助PLC 控制器使得風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程變得更加平穩(wěn)。如圖2 所示，為傳統(tǒng)控制方式風(fēng)機(jī)啟動(dòng)曲線1 以及集控系統(tǒng)控制下的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)曲線2 的對(duì)比。從圖2 中可以看出，傳統(tǒng)控制方式下，風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中有一個(gè)緩沖的過(guò)程，超出了正常運(yùn)行下的額定風(fēng)量，這是對(duì)設(shè)備有損害的；而通過(guò)采用本文設(shè)計(jì)的集控系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)的過(guò)程是非常平滑的，這也驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

圖2 風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線對(duì)比

原通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，需要派遣工作人員對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)與維護(hù)工作，稍有疏忽就會(huì)造成安全隱患，威脅井下的安全生產(chǎn)；將動(dòng)葉可調(diào)主通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)應(yīng)用到該礦后，不但對(duì)井下主通風(fēng)機(jī)及其輔助設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，而且節(jié)省了人工生產(chǎn)成本，真正做到了井下的少人甚至無(wú)人值守，保障了生產(chǎn)安全的同時(shí)又促進(jìn)了設(shè)備的運(yùn)行效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)煤礦動(dòng)葉可調(diào)主通風(fēng)機(jī)的集中控制系統(tǒng)展開了設(shè)計(jì)及研究，又重點(diǎn)分析了通風(fēng)機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)與控制、風(fēng)機(jī)葉片的調(diào)節(jié)等系統(tǒng)功能。最后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證集控系統(tǒng)的可靠性，又將其應(yīng)用到了工程實(shí)際中，結(jié)果表明，將集中控制系統(tǒng)應(yīng)用到主通風(fēng)機(jī)中，不僅可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，而且在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中全程自動(dòng)化操作，極大地減少了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用以及人工生產(chǎn)成本。該裝置的成功應(yīng)用，促進(jìn)了礦井的現(xiàn)代化發(fā)展，對(duì)相關(guān)企業(yè)的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化工作提供了借鑒意義，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。