矿井主通风系统监控系统的设计

尚 鹏

（阳煤寺家庄有限责任公司， 山西 昔阳 045300）

引言

矿井主通风系统在为工作面输送新鲜的空气的同时，将工作面瓦斯、煤尘等排除。随着综采工作面自动化生产程度的越来越高，对通风系统的自动化控制水平也提出了更高的要求[1]。目前，由于矿井通风系统对风量调节不及时及反应滞后等问题，导致给矿井工作面的安全生产带来极大的安全隐患。因此，设计一款通风系统的监控，使其能够实时监控工作面的瓦斯、粉尘等浓度，对风量进行实时控制。

1 矿井通风系统概述

工作面的通风系统包括有主通风系统、辅助通风系统以及局部通风系统。本文着重对矿井的主通风系统进行研究。一般的，主通风系统由主通风机、风门以及通风管道等组成。其中：主通风机一般设有两台，采取一用一备的工作模式；每台通风机对应的有两个风门，垂直和水平各一个；其中，垂直风门在系统的正常运行时关闭或开启，水平风门主要用于对通风系统的维修使用[2]。通风管道为风量的管路，一般将压力、风量以及温度等传感器安装于通风管道内。

本文所研究主通风系统对应的通风机为对旋式轴流风机，该风机的结构如图1所示。

对旋式轴流风机可采用压入式、抽出式以及压抽混合式三种工作方式。其中，以抽出式的工作方式居多。因此，本文所研究对旋式轴流风机的工作方式为抽出式。通风系统作为综采工作面的大型综合系统，其耗电量所占比较大。为达到节能的目的，采用变频调速技术实现对通风机风量的控制。

2 主通风系统监控系统的总体设计

2.1 主通风系统监控系统总体设计要求

根据主通风系统在矿井的工作任务及要求，主通风系统监控系统应满足如下要求：

1）为提升对主通风系统控制的多功能性，要求基于监控系统能够实现对通风机的远程控制、就地控制、手动控制和自动控制；

2）基于监控系统能够实现对通风系统运行状态参数的实时监控，并基于通信模块实现数据的共享；

3）基于监控系统能够通过控制通风机高压开关、低压开关、变频器实现对通风机风量的控制；

4）基于监控系统的组态软件设计的监控画面能够实时显示通风系统的运行状态，实现对主通风系统的报警、数据查询等功能[3]。

图1 对旋式轴流风机

2.2 主通风系统监控系统的总体方案设计

本文所设计的监控系统的主要功能是实现对主通风系统的在线监控和变频控制。因此，该监控系统能够根据工作面的风量需求的变化，实时控制变频器，继而实现对通风系统风量的控制。基于“一用一备”的工作原则，为通风系统配置两台通风机，且均为抽出式工作方式[4]。根据控制需求，设计如下页图2所示的主通风系统监控系统。

如图2所示，主通风系统监控系统由现场监测层、核心控制层和监控管理层组成。其中，现场监测层通过风量、风压、温度等传感器监测主通风系统的运行状态。此外，现场监测层还包括有变频调速控制的执行机构。核心控制层通过485总线和Modbus协议获取所监测数据进行处理分析后得出对应的控制策略。监控管理层通过以太网获取并实时显示主通风系统的运行状态，并对出现异常的情况进行报警。

图2 主通风系统监控系统示意图

3 监控系统的硬件设计

主通风系统监控系统的硬件设备主要包括有PLC控制系统、变频调速系统以及对应通风系统运行参数监测设备的选型设计。

3.1 PLC控制系统的设计

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。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S7-200系列，与该系列PLC配套的模块如表1所示。

表1 S7-200系列PLC配套模块

3.2 变频器及监测设备的选型

变频器为变频调速控制系统的核心，针对通风机的变频器的选型为ACS800-04P。针对主通风监控系统的监测要求及控制任务要求，对应的监测设备的选型结果如表2所示。

4 主通风系统监控系统的软件设计

根据主通风系统的工作任务要求及监控系统的功能要求，主通风系统监控系统的软件设计如图3所示。

如图3所示：监控系统为每台通风机均配置了对应的变频器，并以1号通风机为主通风机，2号通风机为备用通风机，当1号通风机运行出现故障时启动2号通风机。通过对1号通风机运行参数的监测及工作面风量的需求控制1号变频器的频率，从而实现对1号通风机电机转速及风量进行控制。

表2 监测设备选型结果

图3 监控系统软件设计流程图

5 结语

通风系统为综采工作面的呼吸系统，将工作面的瓦斯、粉尘等排除的同时，为工作面提供新鲜空气，在保障作业人员人身安全的同时也为保证综采工作面的采煤效率奠定了基础。为进一步提升通风系统对风量调节的自动化程度，根据其控制任务需求将在线监测系统、变频调速系统以及PLC控制系统相结合得到主通风系统的监控系统，能够根据工作面风量的实时需求量和风机的实时运行状态通过变频调速技术实现对风机风量的实时控制。