矿井主节能通风系统的配置及其功能的实现

张燕峰

（阳泉市上社二景煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000）

引言

矿井主通风系统为综采工作面的关键分系统，其主要净化工作面空气质量，为采掘工作面的安全生产提供保障。但是，在实际应用中为保证工作面控制质量满足《煤炭安全规程》的标准要求，通风机常处于满负荷运行的状态，造成大量电能的浪费[1]。为响应国家节能减排生产的号召，急需为工作面配置节能通风系统，并保证其节能功能的实现。本文着重研究节能通风系统的设计及其功能的实现。

1 节能通风系统的总体配置

矿井节能通风系统的总体控制思路为：基于通风系统内所配置的瓦斯浓度传感器、粉尘浓度传感器对工作面瓦斯、粉尘等浓度进行实时监测，当所监测到的数值超过规定限值时，增大通风机的通风量；当所监测到的数值低于规定限值时，减小通风机的通风量。本文以某掘进工作面为研究对象，为精确监测工作面的瓦斯浓度，将瓦斯传感器布置如图1 所示。T1、T2 以及T3 为瓦斯浓度传感器，K 为主通风系统的通风机，D 为通风系统的管路，F 为监测巷道内空气流速的风速传感器。

图1 瓦斯传感器布置示意图

根据传感器所配置位置的不同，其报警、断电以及复电状态对应的瓦斯浓度不同。其中，T1 瓦斯浓度传感器报警浓度为1.0%；T2 瓦斯浓度传感器报警浓度为1.1%；T3 瓦斯浓度传感器的报警浓度为1.5%。根据《煤炭安全规程》的相关规定，要求掘进巷道内的风速保持在0.25～4 m/s 之间，且风速一般位置在1 m/s 左右[2]。

为实现节能通风系统功能的实现且为保证控制系统，采用变频调速技术和PLC 控制器相结合的智能控制系统。

2 通风系统硬件的配置

传感器、PLC 控制器以及传感器为通风系统的核心控制设备，其是实现通风机节能运行的关键。

2.1 变频器的选型配置

根据变频器结构的不同可将其分为交-交变频器（直接变频器）和交-直-交变频器（间接变频器）。目前，在工业生产中应用最为广泛的变频器为间接变频器。根据变频器选型经验和市场调研，选择三菱公司的FR-E500 变频器。该变频器具备RS485通信功能，可对多段速度进行调节，用户可对上限频率和下限频率进行设定，并可根据通风机的运行状态完成瞬间停电后再启动的功能[3]。

2.2 传感器的选型配置

传感器是监测通风机及工作面环境参数的设备，根据节能通风系统的运行参数及特征，需对通风机的振动情况、瓦斯浓度、工作面风压等参数进行监测，并针对性的配置各类传感器。主节能通风系统传感器配置情况如下页表1 所示。

2.3 PLC 控制器的选型配置

PLC 控制系统作为监控系统的核心系统，其功能是根据工作面对通风量的需求进行监测和主通风机风量的获取，通过对二者数据进行对比分析后，得出相应的控制策略，从而实现对通风机风量的增大或减小的控制。PLC 控制器为PLC 控制系统的核心，其控制精度及响应特性直接决定控制策略的正确性和有效性[4]。结合以往PLC 选型经验及产品现状调研的基础上，选择PLC 控制器的型号为S7-300 系列，与该系列PLC 配套的模块如表2 所示。

表1 传感器配置情况

表2 S7-300 系列PLC 配套模块

3 矿井主通风系统控制方案的设计

矿井通风系统节能控制的总体思路如图2 所示。

图2 矿井通风机节能控制框图

本控制系统的核心为PLC 与变频控制技术相结合的控制思路，首先由现场瓦斯浓度传感器测量工作面的瓦斯浓度和通风机的实时通风量，通过PLC 控制器分析当前瓦斯浓度下对应的通风量，通过变频器对通风机电机的转速进行控制，从而实现对通风量的控制。

除此之外，为避免通风机所排出气体中粉尘浓度超过《煤炭安全规程》的标准要求，还需将气体送入除尘器中对其进行除尘处理，并度处理后气体的粉尘浓度进行监测。

4 矿井主通风系统功能的实现

矿井通风控制系统的核心控制器为PLC，因此采用工业组态完成对通风系统各项功能的实现。本系统所采用通风系统功能实现的软件为监控组态软件。基于监控组态软件可实现对系统的实时动态模拟，关键参数的设置和监测以及所监测数据的存储和记录。具体功能实现步骤如下：

1）将通风系统通风机、PLC、变频器以及传感器等参数在组态软件中进行设置；

2）根据控制思路编写PLC 控制流程图，并将其导入至组态软件中；

3）对工作面巷道风速、瓦斯浓度以及粉尘浓度等参数进行调试，要求上述参数能够根据实时变化值显示于监控界面，并对其系统的报警、断电以及复电功能进行调试[5]。

在实验室中模拟变频器的输出频率，验证对应电机功率是否会做出相应的改变，试验结果如表3所示。

如表3 所示，通风机电机功率可根据变频器所控制的频率对应性的改变，从而达到节能的目的。

表3 不同变频器输出频率下电机的功率值对比

5 结语

通风系统为综采工作面安全生产的关键分系统，在保证采掘工作面安全生产的同时，还需确保通风系统满足节能生产的要求。PLC 控制技术与变频控制技术相结合的智能控制技术可实现对通风机电机的控制，从而实现对系统风量的控制。