矿用地面压风机无人值守系统的改造应用探讨

庞明杰

(晋能控股煤业集团有限公司 挖金湾虎龙沟煤业公司，山西 朔州 038399)

0 引 言

矿井通风机系统是保证井下安全作业生产的关键环节，郭庄煤矿现布置的压风机组在工作过程中常出现压风机不能正常运转、中断停机等现象，因此，需要设计新的压风机组智能化监测方案，达到提高矿井开采效率以及保证煤矿安全生产的目标。笔者重点通过对郭庄煤矿压风机组的测试装置和采集系统进行升级改造，优化了无人值守通风系统的控制方案，实现对通风系统的全智能控制，提高地面通风设备无人值守系统的监测预警灵敏性和智能调控可靠性[1-2]，保障矿井工作人员的生命财产安全，同时提高矿井的开采作业效率。

1 智能化无人值守通风系统设计

郭庄煤矿通风机组包括2台空气式压风机，该压风机自身集成控制单元，通过显示面板实时观测到压风机的运行参数和运行状态，控制面板上集成压风机自动运行和手动操控两种模式，可实现压风机自动启停等运行功能，其中压风机的辅助设备未实现自动化控制，因此需要对整个通风系统进行改造升级，主要目标是更换不具备自动化监测功能的元件设备，同时要求对智能化通风系统调控预软件优化升级，形成系统化、整体式监测调控，实现在地面控制室远程调控监测压风机的稳定持续运行，同时还可以实时共享通讯数据，预警提示。图1所示为无人值守通风机系统原理图。

图1 无人值守通风机系统原理图

该系统选用PLC控制系统为主控制，搭配各参数采集模块和通讯模块、数据存储模块、风机控制单元、变频器等，采集模块对应不同类型的传感器或者测试装置，具体包括风门控制装置、风量阀门、温度传感器、压力传感器、流量传感器以及加速度传感器，温度传感器用于监测压风机的电动机温度，起到预警调温的作用，压力传感器用于测试压风机送风口和进风口的风压值，实时向控制系统传输风压信号值，保证压风机持续平稳运转，流量传感器用于测试压风机进出风口以及管路的风量大小，加速度传感器用于监控压风机工作运转时的振动状态，综上，集合总成了压风机无人值守系统，通过各测试传感器的信号监测，同时与主控系统数据交换传输可确保压风机压风特性稳定，使通风系统可实现更高效稳定的运转，延长了空压机的工作寿命，并且使工作能耗降至最小。

2 压风机智能化控制系统设计

压风机无人值守智能化系统具有三种控制模式，包括自动模式、手动模式、远程模式，PLC主控系统与工控机相连(如图2)，内置数据分析单元，可以依据采集单元传输的信号进行智能操控风机状态，如是否需要反风，最终达到压风机无人值守远程巡视的效果，在地面就可以实现对压风机及整个通风系统装置的监控调整。

图2 风机智能化控制系统结构图

2.1 主控制功能设计

对于整个无人值守系统主控功能应围绕智能监测和智能调控两个方向进行设计[3-4]，具体包括：可远程启停压风机、主扇风机以及辅助风机；以风机运行时间以及工作状态进行自动判别后切换风机和相对应风机的模式；与整个系统数据信息同步，可识别矿井的工况，当识别到工作面出现事故，要求倒转风机快速启动，控制系统调控风机的电磁风门和执行器，将风机转换成反风控制模式，并且依照位移传感器的数据去判别风门的开关情况，确保风门的开关状态，完全关闭、半开启、完全开启。

2.2 智能化控制系统

智能化控制系统的预警功能包含反风定时、风压、风量、风机模式、以及风机切换。如图3所示。

图3 无人值守系统压风机的通风结构图

智能控制系统对于压风机的驱动单元可以实现对电机控制柜以及变频器调速、变频控制柜启动断开的控制，并且实时监控电机和变频器以及附属配件的运行状态，如可实现对压风机驱动电机绕组和轴承温度的监控调控，电机输出电压、电流、扭矩等信号的监测，各参数在不同工况下随时间或者其他因变量变化的曲线变化图在工控机上实时显示。使用Profibus专线作为现场总线进行通讯，可以使风机的实时状态数据与矿井安全生产总调度系统同步。关于风机部件的温度检测单元装置以及磨损检测装置会实时将所监测元件的温度或者风量信号传输至总调控单元(如轴承、定子)，若监测元件的温度超过正常范围，控制系统会发出报警同时视工作情况进行调整。当轴承的位置受振动而偏移，位移传感器会传输至控制系统，控制系统警示并进行调整。

表1 控制系统监测参数数值

此外，表1所列该控制系统可以监测压风机静态时的风压值、不同工况下的压差值，根据上述参数系统进行数据分析，进而获得相应参数的变化图像，电机的相关监测参数与压风机特性参数的监控流程一致。为了实现智慧矿山开采，该压风机智能化控制系统可直接与矿井的数字化开采平台连接，数据可以同步，从供电源头到驱动变频调控运转至控制终端实现了一体化整合。

3 压风机改造方案验证分析

图4为改造前后压风机的风速波动值对比曲线，可以看到改造后的风速波动曲线保持平稳，几乎没有

波动，提升了风机的稳定性。另外，统计了使用改造后的压风机无人值守系统的相关数据，在员工工作效率方面，发现改造后的智能化系统相比之前提升了13%，压风机设备的运转效率提升了16%，同时由于运转效率的提高，使得压风机的工作能耗降低，减少了压风机的用电量。在矿井开采的产能方面，提升了17%，同时无人值守系统的投入也降低了工作人员的数量，减少了每月的固定成本开支。综上分析，可得出压风机无人值守系统表现优异。

图4 改造前后风速波动对比

4 结 语

通过对煤矿的压风机组进行了无人值守智能化升级改造，从压风机组的硬件设备到控制系统和控制功能，整体进行了升级改造，推动了郭庄煤矿数字化矿山的进程，经过验证分析，改造后的压风机无人值守系统可以使其设备的运转效率提高16%，同时减少了压风机组的能耗使用率，节约电量。 压风机组的无人化值守，可减少工作人员的投入，无人化运转可以促进开采效率的提高，一定条件下可提升至17%。节约成本，扩大收益，同时符合碳中和的生产宗旨。