基于通风监控系统的高压双电源快速切换技术的研究

霍 鹏

（山西新元煤炭有限责任公司， 山西 晋中 045400）

1 高压双电源自动切换系统概述

煤矿井下主扇高压双电源自动切换系统的作用功能为当主扇风机在运行过程中遭受电源故障而停电时，立刻找到故障的地方并进行自动切除，同时直接连接备用电源，保证主扇风机持续不间断地工作，不会受到电源故障的影响，持续调节井下瓦斯气体及粉尘的浓度，避免瓦斯浓度过高而引发事故。双电源自动切换系统集就地控制、集控手/自动、远程自动这三种控制方式[1-3]，这三种控制方式满足了井下工作中的一切需求，可以对电源实现有效的切换控制。这三种方式中集控自动是最为便捷的，只需要技术人员发出指令，便可以通过PLC控制器自动完成接下来的一系列动作，且在该模式下，双电源自动切换系统可以对主扇风机中的参数及状态进行实时监控，可排除潜在的风险，分析可能形成故障的原因，当运行风机出现故障时，立刻完成自动倒机。同样远程自动控制也可以实现足不出户便可完成实际操作，通过对显示出来的参数直接进行判断，自主选择合适时机，按照指定实现远程倒机操作。因此高压双电源自动切换系统的提出为井下作业有序推进提供了现实保障。

2 监控系统设备配置

监控系统的关键组成部分包括工业控制CPU和SIEMENS的315CPU模块。之所以选用两套CPU是为了在其中一个模块进入工作时，另外一个作为备用，保证监控系统的可靠性。该系统的信号测量主要由数字输入输出端口、模拟值和串口通信模块这三大模块组成，供电装置主要有UPS、SIEMENSPLC专用电源和两级躲避雷电等装置。

1）PLC采用西门子S7—315系列，带电热插拔；PLC的I/O接口应预留20%以上的备用量。

2）上位工控机硬件配置要求CPU不低于奔腾四核处理器，内存不低于4 GB，500 GB硬盘，22英寸液晶显示器。

3）PLC控制器必须选用UPS且满载持续时间不低于1 h，以保证控制器安全稳定运行。

4）操作柜要求为琴键式结构，壳体防护等级为IP54，要求外形美观、装配牢固、维护便捷。

5）就地箱是控制系统必不可少的部分，应同风机附属设施一道安置，且两种操控方式（现场就地控制、集中远程控制）轮流切换。

6）要求任何电气控制柜包含供电和信号两系统配备两级防雷。

3 监控系统功能测试

界面是用于直接观测实际检测的参数是否在不断发生改变以及所变化大小的工具，通过界面可以有效掌握通风量大小和风压大小，从而了解风门和风机是否处在正常运行状态。这些数据都是在实际测试和测量之后上传的真实数据，直接告诉控制者设备的真实状态。另外，界面间还可以随意来回切换，比如在主界面上，可以直接找到所有子界面的功能，同时执行监控、故障报警和存档记录等功能。

同时，高压双电源快速切换技术不仅在倒换风机条件上可以灵活设置，实现有效限制，还能预先校核倒换风机条件，当条件不满足时会自动停止。将该系统在实际作业中进行应用，并花了三个月的时间进行观察，发现这个界面在设置和检验倒换风机条件时非常方便，所有正常和故障倒换风机工作都完美实现。且在该界面的指引下，可以对风门的开合进行直接操控，包括与之相配套的开关绞车和电动执行模块等都可以实时操控。还有就是不管正常与否都能倒机，当设备处在正常状态时，可以自动到换风机，当出现故障时，可手动倒机和检修。

在实际作业中，可提前在报警界面设置好系统中重要参数的合理区间，如果风机风门等设备在界面上显示异常，监测得的数据超过合理范围时，系统将直接进入报警状态，及时发现故障并提醒技术人员采取相应措施。每一次的故障报警都会自动存储与记忆，在系统中预先设置的数据库中自动整理形成记录以供查询，后续维护人员可根据系统记录下来的每次故障报警的详细信息如故障部位、故障时间、故障原因和解决办法等对设备进行合理保养。在这三个月的试验阶段中，煤矿井下主扇风机一直处于正常运行状态，电路和电网等也没有发现异常。因此通过这个界面可以有效实现对主扇风机运行的安全保障。

4 监控系统主要项目测试结果

选择阳煤集团某矿井作为该煤矿井下主扇风机高压双电源快速切换系统技术的集中试点，该矿井配备的主要通风设备类型为防爆型的对旋轴流式，型号为矿用FBCDZNO.20，该风机在工作时符合经典风机的特性，驼峰般的工作曲线，这类风机对工况配合要求比较高，如果不能良好配合电机和风机都会出现较大的安全隐患。因此在开始安装之前要先进行设备测试，模拟故障状态进行倒换风机，看过程是否顺利，结果显示该系统完美通过测试，可在该矿井中投入试用。

将改造前和改造后的倒换风机过程进行对比，发现矿井下风速的波动幅度有明显改变，改造前正常通风状态下是2.5 m/s，但经过一段时间后降低为0.5 m/s，这已然临近于停风，并且这一波动持续了长达5 min；改造后的波动幅度变化显而易见，风机正常状态下是2.5 m/s，然后瞬间降到1 m/s，再之后又瞬间恢复正常，波动的持续时间低至1 min。风速波动时间越短，对矿井下通风作业的不良影响越微弱，因此这种将长时间波动转为瞬间波动的可以对风机的稳定性和安全性带来保障。

改造前，倒换风机过程中井下空气中瓦斯含量处于较大波动范围，从第2分钟开始，瓦斯气体的含量骤升至2.5%，而煤矿井下的安全值仅为1%，因此属于远远超出的状态，并且超出的时间为5 min左右，在这么长的时间里，瓦斯含量持高对矿井的安全工作带来了极大的威胁。改造后，井下空气中瓦斯气体的含量最高为0.8%，未超出极限值，波动很小且持续时间不到2 min，工作环境安全。通过对实际数据对比发现，该新系统投入使用后，倒换风机时间大大缩短，而且在不停风的情况下均可进行倒机，并且瓦斯含量及波动范围都很可观，倒机作业过程中的安全性能得到很大提升。

5 结论

本研究中首次提出通风设备和通风系统的双重诊断思路，完美地解决了由于主通风机出现故障和异常带来的通风不稳定而引发的井下瓦斯含量超限的安全隐患。在加入双电压自动切换系统的优化改造之下，对井下通风系统的影响由改造前的五六分钟系统停风骤降为30 s的风量波动，真正做到了不停风倒机，消除了井下瓦斯积聚带来的安全隐患，值得推广到煤矿井下的实际作业中进行应用。