矿井主通风机自动化控制系统的研究

2014-12-02李健波

科技传播 2014年4期

李健波

唐山开滦赵各庄矿业有限公司机电科，河北唐山 063101

0 引言

矿用通风系统是实现煤矿井上和井下空气交换的重要设备，它负责向井下输送新鲜空气，排除有害、有毒气体，调节矿井内风量、湿度和温度，以确保矿井的安全生产[1]。另外通风机在工作时要求的电流和电压较大，工作环境恶劣，在运行过程中出现事故的概率较高。在国内大多数煤矿采用人工管理，无法实现对煤矿实时监控、调度和管理，不利于煤矿通风系统安全稳定运行[2]。在煤矿通风系统中的自动化包括了对环境质量监测的自动化和对通风状况的检测两个方面，在煤矿通风机控制系统中引入自动化控制技术，实现对煤矿通风，预防和减轻矿井事故，提高井下工作的安全系数具有非常重要的现实意义。

1 自动化控制技术原理

煤矿主通风机自动化控制系统主要由传感器系统、通风系统和中央控制系统三大部分组成[3]。

传感器系统包括风压传感器、风量传感器、温度传感器、有毒气体浓度传感器、分量调节单元等传感器组成，传感器在信号传输的过程中可以采用时分制和频分制两种不同的方式。在煤矿上可以通过改变风门的角度来调节通风机的风量，风门开度的大小通过地面控制室来控制。通风系统还可以通过变频器改变通风机电机的转速来实现矿井内风速和风量的自动调节。在国外还可以通过通过传感器对矿井内局部温度或者气体浓度的检测来控制局部通风机的运转。中央控制系统则是采用微型计算机完成对监控站的数据进行采集和整理，并根据矿井的需要动态控制通风量。计算机具有接口多，扩展能力强等一系列优点，在煤矿风机的自动化控制过程中具有反映速度快，控制精度高的特点。中央控制系统还负责对矿井内环境的监控和报警等功能，其具体的原理如下图1 所示。

图1 自动化控制系统原理图

2 主通风机系统自动化控制的方式

在煤矿主通风机系统中为了提高其自动化的程度，往往将PLC 和变频器结合实现对异步电机的变频调速控制。通常情况下，PLC 采用开光指令、模拟量和RS-485 三种不同的方式实现对变频器的调节[4]。

2.1 开关指令

该控制方式把继电器节点与PLC 连接在一起，以获取运行状态。通过对变频器的控制实现通风机电机的启停控制和输出频率的改变。由于变频器的输出频率是预先设定好的，仅为一些固定数值，故使用该控制方式不能实现异步电机的无极变速，只适用于不需要电机连续调速的场合。

2.2 模拟量控制

变频器的输入信号有数字量和模拟量两种不同的类型，其中模拟信号通过A/D 模块转换后，输出0V～10V 的电压或者4mA～20mA 的电流。把信号输入到变频器模拟量输入端，控制变频器输出电源频率的方式成为模拟量控制方式。该控制方式中变频器和PLC 间的距离不能太远，不适于煤矿通风机控制系统的要求。

2.3 RS-485

PLC 通过RS-485 方式来控制变频器是目前应用最为广泛的控制方式，具有抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远等一系列优点。对于大多数变频器都有RS-485 接口，可以通过通信的方式实现设备的启动、停止、正反转和调速，还可以实现对变频器参数的修改。在煤矿通风系统通风机的控制系统中我们经常采用RS-485 的通信类型。

3 自动控制系统实现的功能和应用[5]

在煤矿通风机控制系统中自动化技术得到了非常广泛的应用，主要体现在以下3 个方面[6]。

1）数据的实时监测。在自动化控制系统中需要用多个传感器来检测矿井中的参数，包括风机的运行状况、风量的大小、风压的高低等，其具体参数可以通过显示屏显示出来；

2）故障的检测和排除。当通风机系统中通风机出现故障时，自动化控制系统要能够发出相应指令关闭故障风机的电源，并且启动备用风机或者增大其他风机的风量，实现对故障的处理。另外在风机系统运行的过程中，自动化控制系统还要能够实现对风机运行参数的检测，如果无故障则重新启动风机；

3）故障的报警和诊断。在矿井通风机运行的过程中，自动控制系统出了控制风机的运转，还要通过对风机参数的设置来设立报警条件，从而方便技术人员及时排查风机故障，避免安全事故的发生。同时自动化控制系统还要求其具有故障原因存储功能，以方便日后安全分析使用[7]；

变频调速是自动化控制中的一种，它通过改变电动机定子的供电频率来实现风机的同步调速。随着电力电子技术及现代控制理论的发展，变频理论和技术的应用越来越成熟。在煤矿通风系统中变频器主要用来实现通风机的软启动和无极平滑调速；减少通风机的启动时间，限制通风机的启动电流，保证电动机和通风机的使用寿命。在煤矿通风机系统中使用变频器已经成为煤矿安全运行的重要保证，如今在很多煤矿上已经使用了变频调速，旧的通风机控制系统也在进行逐步的改造，节约了大量的电能，延长了通风机的使用寿命名