煤礦通風(fēng)系統(tǒng)自動化技術(shù)的研究與應(yīng)用

胡晨飛

(山西省節(jié)能中心有限公司,太原 030045)

煤炭行業(yè)作為我國的支柱性產(chǎn)業(yè),一直以來都是我國社會發(fā)展與經(jīng)濟快速增長的基礎(chǔ)[1]。由于我國煤炭多為地下開采,通風(fēng)不便,頻發(fā)的瓦斯爆炸事故對井下工人的生命安全構(gòu)成了巨大威脅[2]。通過對歷史上多起煤礦爆炸事故的分析,發(fā)現(xiàn)多數(shù)事故礦井的通風(fēng)設(shè)施不到位,通風(fēng)系統(tǒng)不合理,控制方式不科學(xué),最終釀成慘禍[3]。近年來,隨著電子信息技術(shù)、微電子技術(shù)與控制理論的發(fā)展,PLC控制技術(shù)與變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣[4]。通過PLC控制煤礦通風(fēng)機,可有效提高通風(fēng)系統(tǒng)的自動化程度與工作的可靠性,通過變頻技術(shù)驅(qū)動通風(fēng)機可大幅降低風(fēng)機的損耗,實現(xiàn)電機軟起動與無級調(diào)速[5]。本文將針對礦井通風(fēng)系統(tǒng),研究與應(yīng)用系統(tǒng)的自動控制技術(shù)。

1 通風(fēng)自動化控制技術(shù)

通風(fēng)系統(tǒng)采用PLC自動控制技術(shù)與變頻調(diào)速驅(qū)動技術(shù),通信方式為RS485串行通信。RS485串行通信具有抗干擾能力強,傳輸速率高等優(yōu)點,滿足PLC控制風(fēng)機啟動、正反轉(zhuǎn)和調(diào)速等要求。

由電機工作原理可知,交流異步電機的轉(zhuǎn)速為:

n=n1(1-s)=60f1/p(1-s) .

(1)

式中,n1為電機的同步轉(zhuǎn)速;f1為定子的輸入電壓頻率,Hz;p為電機的極對數(shù);s為電機轉(zhuǎn)差率。

由式(1)知,通過改變交流異步電機的輸入電壓頻率f,可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速n的平滑調(diào)節(jié)。

由流體力學(xué)知,通風(fēng)機的輸出風(fēng)量、電機轉(zhuǎn)速與電機功率符合下列關(guān)系:

(2)

(3)

(4)

式中,n1、n2分別為控制前后通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速;Q1、Q2分別為控制前后通風(fēng)機的輸出總風(fēng)量,m3/s;p1、p2為控制前后通風(fēng)機的風(fēng)壓,Pa;P1、P2為控制前后通風(fēng)機的功率,kW。

由公式知,當(dāng)通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速降低至原先的1/2時,通風(fēng)機的輸出風(fēng)量也隨之降至1/2,通風(fēng)機所消耗的功率降為原先的1/8,所以通過變頻驅(qū)動方式控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速,可有效減少通風(fēng)系統(tǒng)不必要的能源消耗。

系統(tǒng)的自動控制原理如圖1所示,采用閉環(huán)控制,由傳感器監(jiān)測風(fēng)機出風(fēng)口處的風(fēng)速信號,通過與給定風(fēng)量的差值計算,得到控制器的輸入量,經(jīng)過數(shù)據(jù)修正,保證風(fēng)機輸出風(fēng)速恒定。

圖1 系統(tǒng)自動控制原理Fig.1 Automatic control principle of ventilation system

2 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

由于傳統(tǒng)風(fēng)機控制方案存在自動化程度低,啟動時間長、電流沖擊大等缺點,會損壞電機的絕緣性能,縮短設(shè)備的使用壽命,并且造成較大的能源浪費。本文設(shè)計的控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能如下:實現(xiàn)風(fēng)機的手動控制、自動控制與遠程終端控制三種工作模式,并且三種模式可以任意切換;風(fēng)機可實現(xiàn)軟起動,并自動進入變頻運行模式,當(dāng)變頻器故障時,可以切換到工頻模式;當(dāng)?shù)V井發(fā)生爆炸或火災(zāi)時,PLC控制風(fēng)機反向運轉(zhuǎn);系統(tǒng)實時監(jiān)測風(fēng)機的運行參數(shù),通過液晶屏顯示風(fēng)機的各組工作狀態(tài);當(dāng)系統(tǒng)電氣設(shè)備、電參數(shù)等工況數(shù)據(jù)異常時,系統(tǒng)發(fā)出報警信息,當(dāng)參數(shù)超過設(shè)定值一定量時,切斷電源,停止風(fēng)機運行;當(dāng)主風(fēng)機故障時,自動運行切換程序,切斷主風(fēng)機電源,運行副風(fēng)機。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

系統(tǒng)以PLC控制器為核心,整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括遠程監(jiān)控機、上位機、交換機、控制器、變頻器以及各類傳感器。上位機與遠程監(jiān)控機可實現(xiàn)風(fēng)機歷史運行數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場運行效果的實時監(jiān)控功能,并通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程指導(dǎo)與信息交流。此外系統(tǒng)采用權(quán)限管理,權(quán)限低的用戶只能查看,不能修改。系統(tǒng)的通訊介質(zhì)為光纖電纜,通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)信號傳輸,滿足各設(shè)備之間的通訊功能。傳感器部分包括溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、濕度傳感器與瓦斯?jié)舛葌鞲衅?負責(zé)采集礦井與風(fēng)機內(nèi)的信號參數(shù),實現(xiàn)風(fēng)速的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)設(shè)備選型設(shè)計

系統(tǒng)的硬件部分包括PLC控制器、變頻器與傳感器等部分,本節(jié)將對控制系統(tǒng)的部分設(shè)備進行選型設(shè)計。

3.1 PLC控制器及外圍模塊選型設(shè)計

系統(tǒng)采用西門子公司S7-300 PLC控制器,負責(zé)對通風(fēng)機設(shè)備、高低壓電氣設(shè)備等的監(jiān)控。S7-300 PLC編程功能強大,具有較好的電磁兼容性和抗干擾能力,滿足礦井通風(fēng)機的工作需求。S7-300采用PS307電源模塊供電,向控制器提高5 V直流電源與24 V直流電源?？刂破鰿PU模塊型號為315-2DP,CPU包括384K RAM存儲器,2個DP接口?？刂破鞑捎肧M321數(shù)字量輸入模塊與SM321數(shù)字量輸出模塊,負責(zé)將外部數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為控制器內(nèi)部信號或?qū)?nèi)部信號轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備可用信號。通訊模塊包括CP343-1與CP341,分別滿足控制器的以太網(wǎng)通訊需求與串口通信需求[6-7]。

圖2 通風(fēng)控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計Fig.2 Overall design of ventilation control system

3.2 變頻器選型

目前變頻器主要分為交-直-交變頻器與交-交變頻器兩種,其中交-直-交變頻器將一定頻率的交流電整流轉(zhuǎn)換為直流電,再通過逆變電路轉(zhuǎn)換為所需頻率的交流電。本文選用日立公司生產(chǎn)的SJ700交-直-交變頻器,具有較高的啟動轉(zhuǎn)矩,保證風(fēng)機的快速啟動,具有過電流與過電壓保護功能,減少跳閘風(fēng)險,搭設(shè)噪音濾波器,降低變頻器發(fā)出的噪音[8]。

3.3 傳感器模塊設(shè)計

系統(tǒng)的傳感器模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器與瓦斯?jié)舛葌鞲衅?。其中溫度傳感器模塊采用NTC熱敏電阻材料,其接線圖如圖3所示,其中R2為限流電阻,C1為濾波電容,傳感器模塊的測量范圍在-20～75 ℃之間,誤差小于±0.1 ℃。

圖3 溫度傳感器接線圖Fig.3 Wiring diagram of temperature sensors

系統(tǒng)選用DHT1數(shù)字式濕度傳感器,具有響應(yīng)快、性價比高等優(yōu)點,其接線圖如圖4所示,其中R3為上拉電阻,當(dāng)傳輸距離大于20 m時,需計算合適電阻值,電容C2為濾波電容。

圖4 濕度傳感器接線圖Fig.4 Wiring diagram of humidity sensors

瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟x用KG9701智能沼氣傳感器,可實時監(jiān)測附近范圍內(nèi)的CO氣體濃度,并具有聲光報警功能。系統(tǒng)選用KGF2型礦井專用風(fēng)速傳感器測量風(fēng)機出風(fēng)口處的風(fēng)速信號。KGF2傳感器由18 V直流電源供電,可將信號傳輸?shù)絇LC控制器,也可直接通過液晶屏顯示。傳感器安裝于出風(fēng)口管道的墻壁上,保證傳感器探頭與出風(fēng)的風(fēng)向一致。

4 系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)通過各傳感器設(shè)備監(jiān)測礦井的通風(fēng)參數(shù),部分監(jiān)測數(shù)值如表1所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,當(dāng)巷道風(fēng)速達到3 m/s時,瓦斯等有害氣體的濃度值較低,溫、濕度保持在一個舒適值。當(dāng)風(fēng)速過大,不僅造成能源浪費,也會吹起粉塵,影響作業(yè)環(huán)境;當(dāng)風(fēng)速過小時,不能有效地輸送新鮮空氣,稀釋瓦斯。系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),對通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速進行實時控制,以達到良好的通風(fēng)效果。

表1 系統(tǒng)測量參數(shù)表Table 1 Measurement parameters for ventilation system

5 結(jié)語

本文通過對PLC控制技術(shù)與變頻技術(shù)的研究,提出了一種基于PLC控制器的礦井通風(fēng)自動控制系統(tǒng),并分析了變頻技術(shù)應(yīng)用于通風(fēng)機后的控制效果與節(jié)能效果。對控制系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備與傳感器進行了選型,并設(shè)計了溫、濕度傳感器的系統(tǒng)接線方式。本控制系統(tǒng)與控制技術(shù)具有自動化程度高,節(jié)能效果好等優(yōu)點,可滿足通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)速與監(jiān)測需求,提高井下工作環(huán)境的安全性。