矿用通风机控制系统性能改进分析

张 超

（西山煤电马兰矿，山西古交 030200）

0 引言

随着国家对煤矿开采力度的逐渐增大，以及对煤矿作业安全的逐步提升，要求所有的煤矿设备需具有更加稳定可靠的综合性能。矿用通风机作为煤矿设备中的关键设备，保证其具有较高的控制性能及运行稳定性，已成为当下煤矿企业提高通风机运行效率及运行安全的重要关注方向[1]。由于井下环境的恶劣性，加上通风机长时间运行，且现有控制技术时刻出现不断提升状态，导致现有的通风机控制系统在一定程度上已无法满足当下通风机的控制需求，因此，有必要对现有通风机控制系统开展提升研究。

在通风机控制系统结构组成分析基础上，通过对控制系统中PLC控制模块、变频器、通讯连接、PID闭环调节等方面进行设计分析，开展了控制系统中硬件系统及软件系统的设计研究，并将其在FBD型通风机上进行了应用测试。测试结果表明，该控制系统运行更加稳定可靠，能更好地满足矿用通风机的使用需求。所开发的控制系统能降低通风机设备的故障概率及维修费用支出，具有一定的市场推广价值。

1 通风机控制系统特点

矿用通风机作为井下作业中的重要设备，其通风机系统一般包括了主通风机及辅助通风机，并设置有1个进风口和2个出风口[2]。现有的通风机结构基本相同，主要包括一级叶轮、二级叶轮、集流器、扩压器、整流罩、消音器等设备。在现有通风机结构基础上，已广泛将控制系统应用到通风机设备上。目前，通风机上的控制系统主要由各类传感器、通风机、PLC控制模块、配电柜、显示界面、变频器等部分组成[3]。其中，由温度传感器、电量采集模块、变频器及其他传感器共同组成了监控系统的现场测量级，可快速完成对通风机运行过程中温度变化、振动情况、通风量、通过速度等参数的快速检测及远程控制。在整个控制过程中，首先通过前端的各类传感器对通风机运行过程中的各类参数信息进行数据检测，并将检测的数据信号通过通讯模块，快速传递至PLC控制模块中，完成数据信号的快速分析和处理；之后将分析处理后的信息在显示界面中进行实时显示，针对通风机运行过程中出现的各类故障信息，及时发出相应的报警提示，并执行相应的安全切断设备运行等命令。

2 硬件系统设计

2.1 PLC控制模块匹配设计

PLC作为市场上较为成熟的控制模块，凭借其较高的采集精度和较快的运行速度，在各大控制系统领域中得到了广泛应用。PLC控制模块是整个监控系统的核心部分，保证其具有较高的信号运算速度及运算精度，较高的井下环境适应性和较长时间的运行寿命，是保证整个监控系统的关键。因此，结合通风机运行特点，选用了SIMATIC S7-200系列的PLC控制模块，其结构包括CPU模块、存储卡、通讯接口、输入/输出端口、I/O接口、电源接口等部分[4]。PLC的结构框架图如图1所示。其中，CPU模块的数字量输入为24路，数字量输出为16路，接口采用了2个RS-485进行设计，整体具有较快的处理速度；PLC中的以太网模块主要采用了CP243-1型号，可实现与上机位的数据交互，工作电压采用24 VDC，接口采用RS45，整体的传输速度达到了10/100 Mbit/s，可通过STEP7编程界面进行程序的修改与更新。由此，完成了PLC控制模块的匹配设计。

图1 PLC控制模块结构框架图

图2 变频器现场布局图

2.2 变频器匹配设计

现有井下通风机系统中，一般配备了2台通风机设备，分别为主通风机、辅助通风机，每台通风机一般分为单级运行及多级运行。因此，在每台通风机前面安装了1个变频器，总共包括4个，具体结构布局图如图2所示。要求电机在运行时实现同时启动及停止等操作命令，其变频器也需满足此操作命令要求[5]。因此，变频器选用了ABB公司生产的ACS800-04P型号，该变频器主要由系统储能、整流、逆变及电气控制等部分组成，整体具有设备运行稳定、程序可编辑、控制精度高、功能强大等特点，外界的较大电压输入至变频器中，经过变频器内部的整流、逆变等操作，最终转化为系统负载需要的交流电源，实现设备的驱动运转。

3 软件系统设计

3.1 通信参数通信设计

该控制系统在运行过程中，存在较多不同类型的通信参数，主要包括PLC中的CPU与变频器、PLC中模拟量模块、温度巡检仪、电量模块等部件之间的通信参数，这些通信参数以485+、585-为主，通过Modus总线进行通讯连接；另一部分通讯参数则包括上机位工控机与上机位软件之间的通信参数，主要通过以太网通讯模块进行以太网通讯连接，较好地实现了控制系统内部的通讯设计[6]，保证了通信信号能满足通风机的控制需求。通风机通讯连接网络图如图3所示。

图3 通风机通讯连接网络图

3.2 PID闭环调节设计

由于井下生产环境为一个动态变化过程，通风机的通风量及通风阻力将随井下环境的变化而发生变化。因此，为实现对通风机的有效控制，对该系统采取了PID调节控制。PID调节控制是一个闭环控制算法，涉及了积分、微分、比例等计算方式[7]。其中，在该PID闭环算法中，首先对通风机的通风量进行数据采集，并将其与设置的通风量阀值进行对比判断。当采集的通风量达到了预设的风量阀值，系统则保持不变，不采取信号的自动调节；当采集值未达到预定值时，控制系统将通过PID进行自动调节，使其达到目标值。该PID闭环调节的原理图如图4所示。

图4 PID闭环调节原理图

4 应用效果分析

综上分析，建立了矿用通风机的控制系统。为保证后期系统运行的可靠性和安全性，对该控制系统的控制性能进行了将近2个月的应用测试研究，主要将该控制系统安装在FBD型通风机上。测试结果表明，该系统各项功能运行正常，能对通风机运行过程中的各项参数及设备运行状态进行实时检测和控制，整套系统运行较为稳定可靠，且所设计的PID能更加全面、准确地完成对系统的调节控制；同时，该控制系统也能针对通风机运行过程中出现的风压过高、电机温度过高、设备振动幅度较大等故障问题及时发出相应的报警提示，并通过上机位工控机进行实时显示和采集对应控制措施。该系统的运用，使通风机的运行效率提高了约35%，降低了设备的故障概率和设备故障成本的支出，得到了现场作业人员的一致好评。由此，验证了该矿用通风机控制系统具有较好的应用效果，可进行市场推广应用。

5 结束语

不断提升矿用通风机的通风效率，加大对通风机控制系统控制性能的提升研究，是当下煤矿企业关注的重要内容。因此，在通风机控制系统结构组成分析基础上，开展了控制系统中硬件系统及软件系统的设计研究，并将其在FBD型通风机上进行了应用测试。测试结果表明，该控制系统各项功能更加齐全、运行更加稳定可靠，使通风机的运行效率提高了约35%，能更好地满足矿用通风机的使用需求，大大降低了通风机设备的故障概率及维修费用支出，得到了现场作业人员的一致好评。整套系统具有一定的市场推广价值。