矿用通风机控制系统性能改进分析

摘 要：我国矿产储量丰富，礦产的开发不仅能够为电力工程输送源源不断的能源，还能为其他各行业的生产带来相应的原材料。我国自改革开放以来，大力发展采矿产业，时至今日，采矿产业已经成为我国重要的产业之一，为我国经济建设做出了巨大的贡献，也在一定程度上提高了人们的生活水平。在采矿过程中，矿用通风机是必不可少的，它不仅能够将矿井下的危险气体排出，保证井下作业人员的生命安全，还能在适当降低井下的环境温度，在一定程度上提高了作业的舒适程度。现如今，通风机的性能正在日渐强大，运行效率的提高也成为通风机的重要研发方向。本文以通风机的控制系统为研究对象，提出几点改善通风机性能的方法。

关键词：通风机;控制系统;性能改进

0 引言

随着我国煤矿开采力度的加大，釆矿作业的安全性也得到了越来越多的重视。在我国提倡“安全生产”、“绿色开发”等理念之后，釆矿的安全作业要求就更上了一个层次，成为各煤矿高度重视的课题。通风机作为矿井下常用的设备之一，对矿井下维持良好的作业环境有着非常重要的作用。矿井通风机的稳定运行能够最大限度保证矿井下空气的通畅。不过由于矿井环境通常较为恶劣，加上通风机长时间运行，很容易因为超负荷而产生故障，导致性能下降，无法满足当前矿井开发的需求，更严重的还会导致矿井下危险气体囤积，给作业人员的人身安全带来严重威胁。通风机的控制系统作为设备中非常关键的组成，其中的PLC控制模块、变频器、通讯连接模块等多部分的性能都会影响通风机的整体表现，要想提升通风机的整体性能，需要对这些模块进行优化设计，让通风机在保持更长时间稳定运转的基础上，发挥更好的通风作用。

1 通风机控制系统的特点

矿用通风机是井下作业必不可少的设备，常用的通风机包括主通风机和辅助通风机两个部分，通风机整体设置有一个进风口和两个出风口。现在普遍在矿井作业中使用的通风机结构大体相同，主要有一级叶轮、二级叶轮、集流器、扩压器、整流罩、消音器等。这些部件各自发挥功能，使得通风机整体达到预期的通风效果。经过长时间的实践，这一套结构已经能够较好地应对矿井排风需求。目前市售通风机的控制系统主要由各类传感器、PLC模块、配电柜、显示界面、变频器等多个部分组成，其中温度传感器复杂监控矿井内的温度，电量采集模块负责控制通风机的电能供应，变频器负责调解通风机的功率，以让其在不同负荷下运转，保持最佳的矿井环境。这些模块共同组成了通风机的监控系统，可以通过传感器对井下环境进行监测，将温度变化、震动情况、通风量等一些列参数传输回控制中心，并由控制中心的技术人员对其进行操作，实现远程控制。

在控制的过程中，通风机首先利用前端的传感器对于环境中的各种数据进行检测和收集，并将数据信号通过通讯模块传输到PLC控制模块中，并在PLC控制模块中完成对数据的处理，将处理之后的信号显示在显示屏上，并针对通风机的各种故障发出不同的警报，并根据不同的情况执行安全切断设备等操作。

2 硬件系统设计

2.1 PLC控制模块的匹配设计

PLC是市场上较为成熟的控制模块，经过多年的发展，现如今PLC控制模块的采集精度已经非常高了，而且运行速度也照过去有了大幅的提升，在各种设备控制领域得到了非常广泛的应用。PLC控制模块是通风机整个监控系统中最为核心的部分，它的运行效率和精度对设备在井下的使用寿命会产生非常直接的影响。所以，在对这一模块进行功能优化时，可以选用SIMATIC S7-200系列控制模块，这类控制模块性能较好，而且功能强大，不仅具有CPU、存储卡、通讯接口等信息处理和传输的必备结构，还有24路的CPU数字输入量以及16路的数字输出量。SIMATIC S7-200控制模块采用了CP243-1的以太网模块，能够良好完成和上机位的数据交互任务。它的额定工作电压是24VDC，接口型号为RS45，整体传输速度达到了10/100Mbit/s，性能优异。不仅如此，它还可以通过STEP7编程来对程序进行修改和更新，以此来完成更为复杂的任务，PLC模块的性能借此实现优化。

2.2 变频器匹配设计

一般来说，矿用通风系统需要配备两台以上的通风机，称作主通风机和辅助通风机。而且每台通风机还有单级运行和多级运行两种模式，也就是说，系统中至少需要安装4各变频器。当电机开始运行时，变频器也要随之执行相应的操作。所以，变频器选用了ACS800-04P型号，这一型号的变频器由系统储能、整流、逆变和控制元件构成，经过长时间的运行测试和生产实践，这一型号的变频器性能稳定，而且可实现程序的编辑，控制精度相对较高，能够实现更为复杂的功能。当变频器接入高电压时，变频器内部借助整流、逆变等功能，将电流转化为系统运行所需的直流电，保证设备的良好运转。

3 设备内部软件设计

3.1 通信参数设计

通风机控制系统在运行的过程中，会产生各种各样的通信参数，其中最主要的就是PLC中央处理器和变频器、模拟量模块、温度监测仪、电量模块等工作时之间互通产生的通信参数。这些参数都是通过Modus总线进行传输的。还有一部分通讯参数是上机位控机和软件之间发生互通时产生的参数，这类参数的传输是通过以太网通讯模块进行连接实现的，在正常运转状态下，能够很好地承担起控制系统内部的信息传输工作，确保通风机的一部分控制需求能够得到满足。

3.2 PID闭环调节设计

不可否认的是，井下的环境较为复杂，通风机的运行效果不仅受气自身零部件性能的影响，还受井下具体环境的影响。通风机的排风量会随着井下环境的变化而变化。所以，为了提高对通风机的控制效果，技术人员可以对其采用PID调节。PID调节是一个闭环的算法，涉及到一定的数学计算方式，比如积分、微分等。在PID闭环算法中，系统首先对通风机的通风量相关数据进行收集，然后将各种数值和预定的通风量阈值进行比对，根据比对结果采取相应的操作。当数值达到阈值时，通风机系统不进行调节;当数值没有达到阈值时，说明通风量并没有达到要求，系统需要对通风量进行调节，以保证通风量满足要求。

4 应用效果分析

为了提高系统整体运行的稳定性，执行了为期两个月的应用测试。测试结果显示，该系统的运行效果良好，运行状态稳定，能够满足日常井下作业的通风要求，还能够实现对通风机运行过程中各功能的检测。不仅如此，该系统还能根据传感器收集的数据对通风机进行控制，借助PID实现精准调节。另外，当通风机运行过程中出现温度过高、风压过高的情况时，还能借助警报系统发出警报，提醒控制中心的技术人员，由地面控制中心第一时间采取应对措施。测试表明，该系统的运用整体上提高了通风机30%以上的运行效率，同时降低了检修成本，为企业创造了更多的经济效益。

5 结束语

矿用通风机的性能对井下作业环境会产生非常显著的影响，反之，井下作业环境也在一定程度上影响通风机的使用效果。企业要加大力度对通风机的性能进行优化，让它能够在各种复杂的井下环境中进行长时间稳定、高效的作业。测试表明，该控制系统大幅提升了通风机的性能，并降低了故障发生的概率，同时节约了检修成本。本文针对矿用通风机控制系统的性能改进提供了相应的优化设计案例，经测试证明稳定、高效，希望各采矿企业加以参考，并结合具体的井下环境，对通风机控制系统进行改进。

参考文献：

[1]李金华.国内矿用通风机的现状与发展[J].煤矿机械，2013， 34（05）：2-4.

[2]李岗.矿用通风机变频节能技术探讨[J].能源与节能，2015 （11）：81-82.

作者简介：

刘胜（1978- ），男，籍贯：山西省沁县，学历：本科，现从事于阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，主要从事矿山机电工作。