黃睿

摘 要： 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)用了自動(dòng)控制原理，并引入變頻技術(shù)，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)出一套具有實(shí)用價(jià)值的方案。實(shí)現(xiàn)煤礦通風(fēng)自動(dòng)控制的同時(shí)大大節(jié)約了電能的消耗，為煤炭產(chǎn)業(yè)工控系統(tǒng)的改造提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 變頻器； PLC； 通風(fēng)系統(tǒng)； 自動(dòng)控制

中圖分類號： TD 63+5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）03-0090-03

0 引 言

煤礦業(yè)在我國的國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，其生產(chǎn)線的高效性和安全性是最主要的兩個(gè)指標(biāo)，而煤礦安全的重中之重就是煤礦通風(fēng)[1]。煤礦通風(fēng)系統(tǒng)是杜絕煤礦生產(chǎn)安全事故的重要保障。將自動(dòng)化技術(shù)引入煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中，形成一套完整的自動(dòng)控制體系，可以提高通風(fēng)效率，提高安全系數(shù)，降低煤礦通風(fēng)管理過程人力成本。而在此基礎(chǔ)上，加入變頻技術(shù)，就可以深度節(jié)約成本，優(yōu)化自控系統(tǒng)，使得經(jīng)濟(jì)效益最大化，對促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于井下煤礦實(shí)際需求，通風(fēng)自控系統(tǒng)需要分為三個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系：管理層、控制層和現(xiàn)場層。管理層利用上位機(jī)組態(tài)對井下現(xiàn)場層實(shí)時(shí)監(jiān)控，與控制層之間通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的交換，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的；控制層則通過主控制器直接對現(xiàn)場器件進(jìn)行操作；現(xiàn)場層通過各器件采集數(shù)據(jù)，將信號直接上傳。通風(fēng)自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中，主控制器可以采集實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，與管理層的上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場層設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]。通風(fēng)機(jī)相關(guān)設(shè)備、各類傳感器和執(zhí)行原件構(gòu)成現(xiàn)場層的主要硬件系統(tǒng)，這些設(shè)備可以采集溫度、通風(fēng)量、通風(fēng)壓力和震動(dòng)量等數(shù)據(jù)信息，控制端預(yù)置理想狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)量。

2 系統(tǒng)控制方式

本系統(tǒng)采用了工業(yè)控制領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的可編程控制器，即PLC[3]。相比單片機(jī)而言PLC具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、接口功能先進(jìn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。PLC程序編寫通俗易懂，尤其是梯形圖程序，簡潔直觀，非常容易掌握，更適合現(xiàn)場技術(shù)工人使用。PLC的結(jié)構(gòu)模塊化，用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行改裝、重組；模塊化使外圍電路大幅度化簡，安裝時(shí)更加簡單。此外系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以針對報(bào)錯(cuò)模塊單獨(dú)維修或更換，為系統(tǒng)的維護(hù)提供方便。PLC是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備[4]，具有超高的性價(jià)比，小巧輕便，低能耗，非常適合煤礦自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)使用。

3 變頻技術(shù)的應(yīng)用

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備[5]。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：

n=60f（1-s）/p，

式中：n為轉(zhuǎn)速；f為輸入頻率；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電機(jī)磁極對數(shù)。通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

變頻調(diào)速控制方式通常分為V/F控制、轉(zhuǎn)差率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制四種，分別適用于不同場合。對于風(fēng)機(jī)來說，通常采用V/F控制。V/F控制低頻特性差，在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)存在一定缺陷，但是由于風(fēng)機(jī)不需要考慮負(fù)載問題，所以V/F控制完全適用，結(jié)構(gòu)簡單而且節(jié)能效果好。圖2為引入變頻調(diào)速后的節(jié)能對比結(jié)果。

圖2中，H為風(fēng)壓；Q為風(fēng)量；R為網(wǎng)管阻力；A為通風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。由圖2可以看出，當(dāng)以風(fēng)量為被控量，通過控制風(fēng)門開度，將風(fēng)量減少一半時(shí)，網(wǎng)管阻力R隨之改變，但是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)]有發(fā)生改變，H曲線不變。而變頻調(diào)速可以降低轉(zhuǎn)速，同樣的風(fēng)量改變條件下，H曲線大幅度改變。經(jīng)過對比，圖中的陰影面積即為節(jié)約的功率。

在已有硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，將原控制器并聯(lián)變頻控制設(shè)備，由變頻器操控通風(fēng)機(jī)，這樣就形成了可以自動(dòng)切換功能的工頻、變頻雙回路操作系統(tǒng)。為了達(dá)到通風(fēng)要求，由控制閥箱來撤銷原來的風(fēng)門，系統(tǒng)主控制器直接操控PLC。

遠(yuǎn)程監(jiān)視功能由上位機(jī)組態(tài)和控制接口聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)；控制端由DCS 集控系統(tǒng)構(gòu)成。在監(jiān)控端通過微機(jī)主控平臺啟動(dòng)主通風(fēng)機(jī)中的任意一臺電機(jī)，就可以對每一臺電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況直接進(jìn)行監(jiān)視。自動(dòng)化變頻器在運(yùn)行中產(chǎn)生輸出頻率，根據(jù)此頻率可以在風(fēng)機(jī)風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制下，通過手動(dòng)和自動(dòng)的方式設(shè)置變頻柜的各類參數(shù)，頻率與風(fēng)量的自動(dòng)閉環(huán)控制由此產(chǎn)生。自動(dòng)性保護(hù)功能、運(yùn)行指示功能、電源指示功能和頻率顯示功能以及過電流、過電壓、過載、聲光報(bào)警等功能通過改造均可以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行故障時(shí)，便可自動(dòng)報(bào)警，并顯示故障器件參數(shù)。

改造后的風(fēng)量自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)中PLC作為控制核心，風(fēng)量為被控量，變頻器通過PLC發(fā)送的控制信號進(jìn)行變頻調(diào)速，通過不斷測量實(shí)際風(fēng)量與給定值的偏差，自動(dòng)調(diào)整，直至消除偏差，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文在日漸成熟的煤礦井下通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過引入變頻器，將系統(tǒng)改造、完善。不僅滿足了系統(tǒng)的安全性、自動(dòng)化，還在能源節(jié)約方面取得了成績，既為煤礦高效安全生產(chǎn)提供了保障，也日后的研究提供一定的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳醉. 關(guān)于煤礦通風(fēng)系統(tǒng)安全運(yùn)行的相關(guān)影響因素的探討[J]. 科技資訊，2012（22）：101.

[2] 陳蕊. 基于 PLC 的礦井主扇風(fēng)機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 山西：太原理工大學(xué)，2012.

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[4] FREY G，LITZ L. Formal methods in PLC programming[C]. IEEE International Conference，2000（4）：2431-2436.

[5] 魏強(qiáng)，沈沉. 空調(diào)末端控制系統(tǒng)自控元件的應(yīng)用策略[J]. 制冷與空調(diào)，2012，12（3）：132-135.

Abstract： This thesis verifies the ventilation system of coal mine as a significant guarantee of coal mine work safety. A set of practical solutions have been presented as the modification of the system，based on the automatic control principle， as well as the introduced technology of frequency conversion. Realizing automatic control and greatly saving the energy consumption of coal mine ventilation simultaneously， the achievement can also be utilized to provide reference for coal industry transformation with the industrial control system.

Keywords： frequency converter； PLC； ventilation system； automatic control

（責(zé)任編輯：徐興華）