煤矿主通风系统的智能化控制

何小龙

（潞安集团余吾煤业有限责任公司， 山西 长治 046100）

引言

瓦斯是煤矿生产过程中不可避免的有害气体，除此之外矿井煤尘、粉尘等也影响着矿井生产的安全性。针对工作面瓦斯问题可采取瓦斯抽放和通风设备来解决，其中通风系统主要通过为工作面提供新鲜空气以降低工作面瓦斯浓度[1]。因此，为保证综采工作面瓦斯浓度满足《煤炭安全规程》的相关标准要求，需确保通风系统能够实时根据工作面的情况对通风系统进行智能控制。

1 通风系统概述

通风机按照不同的分类标准可分为多种类型。其中，根据气流方向可分为离心式通风机、轴流式通风机、斜流式通风机和横流式通风机。根据压力可将其分为低压离心通风机、中压离心通风机、高压离心通风机和低压轴流通风机、高压轴流通风机。根据转速大小可将其分为低比转速通风机、中比转速通风机和高比转速通风机[2]。

在实际生产中通风系统一般采用“一用一备”的使用原则。对于一台轴流式通风机而言包含有两级叶轮，两级叶轮的旋转方向相同。通风机智能控制的基础为能够准确获取通风机系统在工作面运行的实时参数，结合通风机的实时工作状态和矿井工作面实时所需通风量对通风系统的风量进行调整控制[3-4]。

2 通风系统智能化控制的总体设计方案

2.1 通风系统监测参数

根据煤矿主通风系统的智能控制需求，需对通风系统的电机电流、电压、轴承温度以及工作面的实时风量、风压和当前工作状态下工作面所需风量的大小和对风压的要求及瓦斯浓度进行监测。

一般情况下，对通风机风量的测量常采用风速传感器完成，但是由于工作面的环境相对恶劣，导致传感器测量精度不高。因此，本智能控制系统采用静压差法对风量进行监测。

针对工作面风压的测量对其全压和静压进行测量；实时掌握电机温度，避免由于电机温度过高导致电机轴承扭曲、损坏等故障；瓦斯浓度传感器的测量是控制通风机风量的根本依据，为保证瓦斯浓度监测的准确性，在矿井的风口处安装对应的传感器。此外，还需通过位移传感器对通风机电机的垂直和水平振动参数进行监测[5]。

2.2 智能监控系统的总体设计

智能监控系统包括有监测系统、通讯系统和控制系统两部分。其中，监测系统通过各类传感器及电子器件实现对各类参数的测量；通讯系统将传感器获取的参数数据基于以太网通信模块上传至上位机系统，并将所得出的控制指令下送至执行机构；控制系统通过上位机所得的控制指令对执行机构进行控制，其控制部件包括有通风机、电机以及配电柜等。智能监控系统的总体设计框图如下页图1所示。

3 智能控制系统的设计

根据智能控制系统总体方案，本节将对通风系统智能化控制系统的下位机系统、上位机系统以及上位机与下位机的通信模块进行设计。

3.1 智能控制系统下位机系统的设计

通风机智能控制系统下位机系统的设计主要指的是硬件设计，该智能控制系统中硬件主要包括有对监测数据进行处理的PLC控制器和完成对通风系统参数监测的各类传感器等。因此，主要包括对PLC控制器的选型和传感器的选型。

1）PLC控制器的选型。基于对各型号PLC控制器优劣性及应用环境分析的基础上，拟采用西门子公司的S7-300PLC控制器，该系列PLC控制器具有较高的性价比、抗干扰性能、电磁兼容性好等优势。并为S7-300PLC配置了对应的电源模块、输入输出模块以及CPU等。

图1 通风机智能控制总体设计框图

2）传感器的选型。根据智能控制系统的任务需求，为其配置如表1所示的传感器。其中，针对风量的监测采用静压法进行换算所得。上述传感器的在工作面布置情况如图2所示。

表1 智能控制系统传感器配置表

3.2 智能控制系统上位机系统的设计

通风系统智能控制系统上位机系统的设计即为上位机软件的设计。智能监控系统上位机最基础的功能包括通风系统运行参数的存储、显示及故障报警等。根据智能控制系统的控制需求,通风智能控制系统上位机系统包括有系统管理、监测监控、数据查询以及帮助等四项功能。上位机系统可对下位机传感器等采集到的数据进行分析处理，结合当前通风系统的控制需求实现对通风机电机等执行机构的控制。

3.3 上位机与下位机的通讯模块的设计

通风智能控制系统上位机与下位机的通信是通过以太网实现的，即基于以太网实现上位机与下位机之间的数据交换、通信、管理等功能。基于以太网与上位机之间的通信能够实现上位机与PLC控制器的组态软件实现对工作面通风机各项运行参数的实时监控。而且，根据控制需求将控制需求分为若干层，并根据各个层面的要求选择最佳的网络。

图2 传感器布置示意图

4 结语

为实现综采工作面通风系统的智能化控制，要求系统能够根据工作面的实时瓦斯浓度和通风机系统的实时运行参数对通风系统的风量进行控制，以确保综采工作面的瓦斯浓度在《煤炭安全规程》相关标准要求内要求。基于PLC控制器、各类传感器及其上位机组态软件设计一款通风系统的智能化控制系统，可为保证综采工作面的安全生产奠定基础。