矿井主通风机自动化控制系统设计分析

2022-09-09孙云龙

电子技术与软件工程 2022年14期

孙云龙

（山西乡宁焦煤集团神角煤业有限公司山西省临汾市 042100）

近些年来我国社会经济处在迅速发展的过程中，可持续发展战略以及科学发展观的提出使得人们的环保意识逐渐提升，开始积极探究新型环保能源的开发，以取代当前社会发展比较依赖但却会造成严重污染的煤炭资源，但从实际情况来看，能源结构面临着一个漫长的发展时间，而在这一过程中依然会使用煤炭资源支撑经济社会的发展。在正式进行煤矿井下开采工作的过程中经常会面临气体流通不畅的现象，受到各种不利因素的限制，存在着较大的有害气体积聚的隐患，这会在极大程度上影响相关人员的正常工作，并且会对其身体健康产生一定的负面影响。相关调查研究表明，有70%以上的矿井安全事故都来源于通风系统操作不合理以及故障，基于此，有必要大力进行主通风机自动化控制系统的研究。

1 研究背景

若想真正保障矿井的安全生产则势必要确保通风系统的正常运行，而对于矿井的通风系统来说，矿井主通风机之其中至关重要的核心设备，直接关系到其能否顺利将新鲜空气运送到井下，并在此过程中将煤尘和有害气体排出，其运行状况对于矿井生产的安全性和稳定性以及从企业整体经济效益的提升有着重要影响。基于此，加大力度把控通风机的安全可靠运行，在现有的基础上促进操作人员自身技能水平的提升可以为通风机高质量应用创造良好的条件。目前来看，在工业化程度不断提高的时代背景下，煤矿企业在生产规模方面呈现出逐渐扩大的趋势，并且在生产效率方面也有了明显的提升，这便对现有的矿井声场系统提出了更高的要求，促使其朝着自动化的方向纵深发展。企业为了能够适应时代发展进程开始积极引入新型的控制技术以及电气设备，而若想真正保障自动化控制成效，管理部门应当能够针对主通风机和矿井风量所产生的变化情况展开实时动态的远程控制工作，基于此，企业应当构建起新型的主通风机实时在线监控系统，为自动化控制工作的高效落实提供技术支撑。

2 煤矿主通风机中自动化控制技术的应用原理和系统功能

2.1 应用原理

自动化控制技术在煤矿主通风机中的应用具体包括传感器系统、通风系统以及中央控制系统三方面。首先，传感器系统可以实现对于有害气体浓度、深度、温度以及风量和风压等多方面的全覆盖，基本上会采用时分制和频分制作为其信号传输的方式。但在深入分析矿井下作业具体开展状况之后则发现工作人员应当对原有的风门角度进行变化，这便可以高效落实对于主通风机具体风量的合理调控。与此同时，还应当利用地面控制室根据具体要求对风门的角度展开调整工作。

其次则是通风系统，该系统主要是基于变频器完成电机转速的调节工作，最终高效实现矿井下风机风量和风速的自动化调节的目标。立足于目前我国煤矿企业的发展现状来看，绝大多数的煤矿都会通过传感器的应用进行矿井下气体浓度以及局部温度等数据的采集工作，用来对通风机的转动展开合理的调节工作。最后便是中央控制系统，这一系统是基于卫星计算机针对监控站所获取的数据进行采集以及优化整理，与此同时还要在综合考虑煤矿生产需求的基础上针对通风量展开实时动态的调控工作。切实展现出其在扩展能力强以及接口丰富等方面的优势特点，再加上自动化控制较快的速度以及较高的精度，为中央控制系统有效实现报警以及监控等功能提供必要条件。

2.2 系统功能

该系统具有多样化的功能：

（1）其在应用的过程中能够完整显示出其运行阶段所产生的各种参数以及运行状态，并且能够根据相应的监控对系统的工作界面展开模拟工作。

（2）该系统可以精确判断故障的实际情况，明确其属于停电故障还是故障报警，进而及时发布指令，在此之后还需要对其详细记录，为后续操作提供参考。

（3）该系统能够对主通风机运行期间所产生的各种参数进行记录，同时还可以对其进行打印，一旦主通风机在运行中出现故障，其便能够自动化其故障情况及其原因进行打印，并形成记录。

（4）该系统可以采用自动或者是手动的方式实现对于机器的开关机，工作人员还可以通过远程遥控的方式对励磁柜以及高压柜进行相应的操作。

（5）当开机之后，风道的风门能够达到自动化倒换的效果。

（6）该系统在进入道在线巡查环节之后可以将反风风门绞车、倒机风门绞车运行的具体状况完整准确地显示出来。

（7）系统可以自行对励磁电流以及励磁点烟的准确性进行分别，一旦出现开车知识便进行自动或者手动开车。

（8）该系统本身具有了极强的自控功能，若是当前矿井风机存在一定的故障，能够在10秒钟之内启动备用风机。

（9）该自动控制系统中设计了远程网络接口，工作人员可以通过因特网的应用，将其直接同煤矿控制中心相连，继而达到远程监控的效果。

2.3 应用效果

强化对于自动化控制技术的科学应用，优化设计主通风机系统的硬件和软件，切实提升各种传统元器件设计的实效性，能够进一步精简以往过于复杂繁琐的接线控制方式，可以为系统实现更加稳定安全的运行创造良好的条件。自动化控制系统建立在可编程控制器的基础上，可以为主通风机在自动变频和手动变频的切换方面提供充足的空间。当处在自动变频状态下时，主通风机能够针对利用传感器所获取的风压值以及有害气体浓度对相关数据展开科学全面的分析工作，进而提升变频调速的科学性。从实际情况来看，在矿井主通风机中大力使用自动化控制技术能够展现出以下几方面应用效果。

首先便是数据的实时监测，针对矿井主通风机而言，其自动化控制系统的设计涉及到大量传感器的应用，以有效监测矿井生产阶段所产生的各种参数，具体包括风压大小以及主通风机运行情况等，上述参数均可以采用可视化的形式展现出来。其次在于对故障的高效检测以及排除，一旦主通风机产生故障，那么自动化控制系统便会迅速接受指令，继而对主通风机电源进行自动关闭，在此过程中还会将备用的通风机启动，或者会根据实际情况将其他通风机的风量适当提高，以确保矿井下的风量整体处在不变的状态下，以进一步保障其故障处理操作的科学性和有效性。除此以外，主通风机系统运行的过程中，自动化控制系统能够实时动态地监测其运行参数，在完全解决故障之后则会对通风机进行自动的重启。最后是故障报警以及诊断，针对矿井主通风机设计自动化控制系统既可以将更加有效地控制主通风机的运转情况，还可以在主通风机正式运行之前，对相应的报警条件数值进行与设定，这样便可以方便技术人员更加全方位、深层次地排查各种通风机故障隐患，以促进其安全事故产生可能性的进一步降低。除此以外，自动化控制系统还可以存储大量的故障数据，最终建立起专家数据库，以便于后续再产生类似故障时可以作为参考，提升诊断和操作效率。

3 矿井主通风机自动化控制系统设计方案探究

3.1 设计目标

该系统设计应当能够满足在启动和停止方面的控制要求，可以实现对于通风机的自动、手动以及远程和就地控制等。与此同时该控制系统可以同企业局域网相接，相关工作人员可以在集中监控调度室中实时动态地开展系统运行情况的监测工作，在此过程中还可以达到远程控制的效果，以及时发现问题并进行妥善解决。该控制系统中包含着一个通讯模块，在标准RJ45网络接口的基础上连接矿工业以太环网，当变频器控制系统实现在以太网中的有效接入之后可以同综合自动化平台服务器相互通信。该自动化控制系统的控制对象范围比较广泛，具体包括主通风机变电所中的变频器、高压开关柜分闸以及合闸等等。将组态软件安设在上位机上，这样便可以展现出相应的上位机监控画面，辅助相关工作人员针对各种设备现阶段的设备运行情况，主要包括数据查询、报警以及报表几个系统。此外，该自动化控制系统能够更加准确地对通风机、变频器以及电机运行参数等展开监测控制工作，以做到及时发现其中的隐患和不足，避免其范围扩大对主通风机的高效应用造成负面影响。

3.2 总体方案

本研究主要是基于某地区的煤矿企业，针对其主通风机的在线监控和变频控制系统展开设计工作，研究人员在对自动化控制系统总体方案进行制定的过程中应当综合考虑不同时间段矿井本身在风量需求方面所呈现出的变化，在建设初期，有着相对较小的风量需求，此时的风机可以实现单极电机独立运行，而在后续不断增加风量的工程中便可以将两级电机结合起来共同运行，以动态地满足运行要求。

除此以外，总体方案的设计要求工作人员事先对有可能存在的风险进行预测，并做好相应的准备工作，例如需要安排备用风机，以确保一台风机产生故障时能够在短时间范围内迅速启动另一台备用风机，以充分同矿井安全运行生产的要求相适应。系统总共有以下三部分组成，首先便是现场测量级，其主要包括电量采集模块、温度巡检仪以及变频器等，其在实际应用的过程中能够科学有效地测量风速、负压、振动以及电机温度等主通风系统重要参数，并且还能够高质量落实主通风机变频控制。其次便是基础控制级，这一部门在整体的在线自动化监控系统中有着至关重要的心和地位，其构成包括以外网模块、模拟量扩展模块等等，在实际应用的过程中主要是根据程序算法的实际情况针对主通风机系统展开实时动态的监控工作，并全方位采集各种关键参数，科学准确的进行数据分析以及处理工作。最后，监控管理级则为系统人机交互的接口，主要包括监控软件和工控机几部分，其关键功能在于能够同下位机LPC实现通信数据交换，更加完整有效地对包括报表打印输出、曲线显示、存储以及数据接收等进行监管工作。

3.3 硬件设计

3.3.1 供电系统

供电系统是矿井主通风机系统硬件设计中比较重要的组成部分，结合行业现行规定要求来看，矿井通风机系统需要采用独立双电源供电的形式，使得两路进线电源之间互为闭锁，针对矿用一级负荷主回路不可以同其他负荷之间相连接。本文所研究的通风系统，在供电系统方面所使用的为室外柜式一体化结构。因为现有的煤矿规程要求其必须采用双电源供电，所以对于低压变电所来说，其供电雄所使用的单母线分段主接线结构，所提供的电源是0.4kV。在主通风机的供电系统中主要包括以下几种设备，其中低压配电柜包括两路独立电源，其来源于两台变压器，能够对高压侧的6kV电压进行转化，继而形成低压侧的0.4kV电压。在该配电系统中涉及到两台低压进线柜，其最主要的作用便是作为风机电源进线的总开关，对变压器低压侧电源进行接收。系统中的低压配电可以为主风机系统的运行提供电源。两台变频柜能够高效控制主通风的变频调速，可以在变频柜上展开各种手动操作，进而实现正转、反转以及故障复位等功能，与此同时，工作人员还可以变频柜上明确看到相应的运行指示以及故障报警等。在本文所述的主通风机控制系统中还实现了对于UPS不间断电源的设置，其能够有效为主通风机系统整体供电的持续性以及稳定性提供充足的保障，其电源来源于两路独立电源，主要会在PCL控制柜中进行安装，为控制系统中的各种关键设备提供电源，具体包括控制柜插座、开关电源、温度巡检仪以及PLC控制器等等。

3.3.2 PLC控制系统

从本质上来看PLC其实是一个自动化控制装置，其能够有效适用于各种工业环境，所以目前PLC已经广泛应用在了各种现代工业场景中，而在长时间的发展过程中，PLC得到了极大程度上的优化改善，至今为止其在适应性以及稳定性方面已经有了较大的进步，是当前工控行业设计人员重点关注的内容。本文所研究的矿井主通风机始终处在矿井环境中，而其生产环境大多呈现出恶劣和复杂的特点，需要实现长时间的持续平稳运行，这便在极大程度上提高了其在主控制稳定可靠性方面的要求，但PLC的优势能够充分同其条件和要求相适应。基于此，本主矿井主通风机自动化控制系统设计采用PLC作为主控制器。

设计选用的PLC为SIMATIC S7-200系列，这一系列PLC最突出的优势特点便在于可靠性以及灵活度较高，与此同时，其在实际运行的过程中不会产生过高的功耗，由于其体积较小，所以不会占用过大的空间。PLC是该矿井主通风机自动化控制系统中最为关键与核心的部分，在PLC的基础上能够帮助监控系统完成多样化数据的采集、存储、运算以及处理工作，同时还可以同上位机之间展开数据交换。PLC控制系统的构成包括多个模块，相关工作人员需要从系统功能在要求方面的差异性出发对各不相同的功能模块进行选择。

3.3.3 变频调节系统

相关研究人员需要先在仿真研究的基础上对自适应模糊PID控制技术进行确定，接下来便可以针对变频调节系统展开设计工作。本文在选定核心控制器之后便可以通过传感器的应用广泛采集系统风压等相关参数，利用通信模块为变频器和控制器之间所开展的数据交流创造良好的条件，并基于上位机完整准确地展现出风机的相关数据。

结合实际情况来看，程序在运行过程中主要包含着两种模式，其一是手动模式，其二是自动模式，手动模式主要指的是操作人员在明确通风机当前运行情况的基础上根据需求合理切换系统，而自动模式则更加强调控制器针对存在于分支风道内部风速以及负压所开展的监控工作。研究人员在综合考虑各方面影响因素的同时在现有程序的基础上增设了平风门以及立风门，两风门处在互锁的状态，若是1号风机中出现故障无法迅速投入运行便可以启动2号风机，此举能够在极大程度上降低风流短路事故出现的可能性。当风机处在正常运行状态下时，控制器会按照标准值对采集数据进行比较，若是在采集风量数值同标准值之间存在过大的差距，程序便会及时开展对于偏差的计算工作，最终明确变压器频率变动只，与此同时，为了能够进一步提升其控制成效，阈值设定在±4Hz范围内，尽量减少由于调节过大所带来的负面影响，高效开展风机风量变频控制工作。研究人员应当科学进行上位机的设计，人机界面可以完整地展现出人同系统交流的过程，其最主要的功能便在于显示相关参数，与此同时，上位机可以存储各种设备的实际运行数据，例如变频器、风门以及风机等等。

针对上位机而言，其组态系统总共有4部分所构成，分别为网络配置、报警设置、脚本程序以及画面组态，画面组态主要涉及到报警显示、报表控制以及风机运行等界面。系统能够根据风量以及运行状态在时间推移中所呈现出的变化曲线绘制曲线，为后续所开展的对比研究提供相应的参考。报警系统的应用能够实现对于多样化复杂参数的合理监测，具体包括风机复压、风流量以及速度等等，结合实现所设定的阈值明确其报警范围，一旦其所检测到的数据没有处在正常的范围之内，系统便会及时发出警报，同时将故障灯亮起，以及时提醒工作人员。工作人员需要全面开展对于变频控制系统的研究，根据事先所明确的给风量进行设定，向上位机组态软件对风量进行输入，进而支撑系统的正常运行。结合系统反馈的相关数据能够发现，其频率值是25.5Hz，当控制器输出频率逐渐提升的过程中，风量也会呈现出上升的状态直到每分钟7500立方米，但因为其面临一定滞后性，这便会使其风量没有处在给定值方位内，进而降低其所显示的输出频率。当风量处在每分钟7500立方米时，变频器数值则会始终维持在25.5Hz，由此可见该风机变频系统的应用能够符合预期要求。

3.4 软件设计

3.4.1 系统程序设计

针对整体的控制系统而言，软件程序在其中是至关重要的灵魂所在，直接关系到系统能否实现更加安全可靠的运行。在对本系统进行程序设计之前，相关工作人员应当线全方位探究矿井主通风系统的各方面控制要求以及具体的工艺过程，因为其控制系统本身具有一定的复杂性，所以最终决定使用结构化编程的方式针对整个系统的程序进行编写。

本系统的程序设计主要是根据结构化编程的理念，对整个控制系统进行细化分解，使其以诸多自控制系统模块的形式呈现出来，主程序在执行阶段，仅仅是基于特定的逻辑实现度多样化子系统程序块的调用，继而高效监控矿井的主通风系统，并采取相应的控制措施，这种编程结构有着更加清晰明确的特点，能够在原有的基础上节省在编程工组中所浪费的时间，并且可以提升CPU处理效率。两台风机分别采用自动和手动两种方式进行控制，在使用手动控制方式的过程中基本上是根据人工控制的流程，一旦矿机产生在编事故同样需要使用手动的控制模式。当处在自动控制模式下，工作人员需要对所要启动的风机机型选择，继而进入到风门控制程序当中，控制风门的开关，接下俩便要对单双级模式进行选择，从具体的风量要求出发实现对于变频器的启动。在启动完成之后便需要进入到频率给定程序当中，结合实际情况对变频器的运行频率进行合理设定。针对变频器当前是否处在故障状态展开监测，一旦发现其存在故障，故障变自动复位，如果不存在故障则变频运行。模拟量采集程序能够获取具体的风机电动机参数，并向上位机进行传输，实现对于风机故障的精确判断，如果不存在故障便进行运行，如果存在故障，则需要及时采用备用风机，依然使用相同的控制流程对备用风机进行控制。

3.4.2 系统子程序设计

从本质上来看，矿井生产的过程是动态化的，而风机风量在生产过程中不可避免地会受到多方面因素的影响，无论是工作面位置变化、风窗调节还是巷道布局等均会在一定程度上对固有的通风阻力造成改变，一旦发生通风阻力的变化便会使得其最佳工况点产生变化，在本系统中，为了能够进一步促进风机运行效率的提升，充分同井下风量的实际要求相符合，采用了PID算法对风机的风量进行控制。现阶段在工业控制领域经常会应用PID控制算法，其本质上其实是一个闭环控制算法，在本系统中主要是采集采风机入口风量，继而根据预设的目标值同反馈的风量进行比较计算，这样便可以方便工作人员对调节能否符合预期进行合理判断，如果没有达成目标便需要对其是正反馈还是负反馈进行反馈，科学计算差值实现自动化调节，以充分满足预先所设定的目标。

工作人员需要针对偏差展开比例、积分以及微分计算，计算公式如下：