张敏敏

（晋城蓝焰煤业股份有限公司凤凰山矿通风区，山西 晋城 048000）

引言

通风系统号称综采工作面的“肺”，不仅为现场作业人员提供新鲜空气，降低瓦斯浓度，减少瓦斯爆炸的风险，而且还能够降低工作面的粉尘浓度，为作业人员提供舒适的工作环境。因此，煤矿通风系统对于保证工作面的安全生产，具有不可或缺的作用。实际应用中，为了保证工作面的安全生产，煤矿通风系统24 h运行，耗电量巨大，且当前通风控制系统还依靠传统的人为调节挡板对通风量进行控制，不仅自动化程度低，而且电能损耗巨大[1]。因此，实现主通风系统的变频调速控制对保证工作面安全生产和节能生产具有重要意义。

1 矿井主通风系统的构成

为结合当前工作面对通风量的控制需求和节能减排的生产要求，主通风系统主要由通风机和变频调速控制系统组成。其中，通风机根据叶轮中气体流动方向的不同可以分为离心式通风机、轴流式通风机和混流式通风机。目前，煤矿中常配置的通风机为轴流式通风机和离心式通风机。鉴于轴流式通风机具有通风效率高、噪音低以及节能效果好等优势被广泛应用[2]。凤凰山矿所采用的通风机为对旋式轴流式通风机，其型号为FBCDZNo24/2×200，其参数如表1所示。

2 变频通风系统的总体设计

为解决当前煤矿通风机自动化水平低、监测精度低以及监测参数不全面的问题，本文所设计矿井通风自动化控制系统将包括对通风机电机的控制、风门的控制、实现井上与井下通信并对通风机及现场的各项运行参数进行实时监测。而采用传统DCS控制系统无法满足上述所有功能要求，在当前以PLC控制器为主的自动化控制系统中必须用现场总线才能够对通风系统的所有设备进行全面、合理的协调管理[2]。

表1 FBCDZNo24/2×200型对旋式轴流风机参数

简单的说，煤矿通风机自动控制系统主要包括有上位机监控系统、通风机系统、现场传感器监测系统等，其主要结构可通过如图1所示的框图表示。

图1 通风机自动控制系统结构框图

如图1所示，通风机视频监控系统通过云平台对设备电机的工作状态和风门的开启、关闭状态进行监视，从而保证用户对设备的运行状态进行实时监视。工业计算机系统用于对现场设备运行状态的实时显示，并为用户提供实时查询、记录界面；高压开关柜信息监测系统主要是对控制通风机电机启停的相关电气参数（过压、过流、速断、欠压等）和对应的状态参数（电机有功功率和无功功率等参数）监测；励磁控制系统主要获得相关控制指令对1号、2号通风机电机启停进行控制；风门控制系统主要获得相关指令对风门开口大小进行控制[3]。

根据煤矿自动控制系统的控制需求、监测需求需对通风机系统通风机实时通风量、风压；通风机轴承温度、电机温度及其轴承温度；通风路线上的风阻及静压值等参数进行监测。

3 变频通风系统的硬件选型

3.1 控制器的选型

为实现主通风系统能够根据工作面工况对通风量进行实时、自动、高效控制，当前以基于PLC的变频调速控制系统为主，其核心装置为变频器和PLC控制器[4]。根据结构的不同，可将变频器分为交-交变频器和交-直-交变频器。结合当前工程应用经验，采用交-直-交变频器，其基本结构如图2所示。

图2 变频器基本结构框图

结合通风系统对通风量控制的响应速度、控制精度和控制效率，凤凰山矿主通风系统选用SJ700系列的变频器。

PLC为当前工业中除了单片机应用较为广泛的控制器，PLC选型的重要依据为自动控制系统的控制需求和控制精度。综合分析通风机自动控制系统的所需监测的参数数量（数字量和模拟量的个数）、响应时间以及对通风机的控制准确性，综合比较不同品牌PLC控制器的性能，最终确定选用西门子系列的S7-300PLC控制器。

根据主通风系统输入/输出点数和控制功能，凤凰山矿主通风系统选用S7-300型PLC。PLC控制器将控制信号通过电流信号传送至变频器，由变频器对通风机电动机的转速进行控制，从而实现对通风机风量的调节，各个控制器对应的模块分别如表2所示。

3.2 电路设计

为主通风系统配置两回路高压电源供电，分为高压母线和低压母线。主通风系统中涉及的四个通风机分别由四个变频器对其进行控制，为保证变频调速系统的可靠性，为每个变频器配置一个工频旁路柜，当某一个变频器无法正常工作时，系统会自动切换至工频旁路以保证系统的正常运行。

表2 PLC控制器及其模块选型

3.2.1 高压进线柜的组成

为实现主通风系统的集中监测和控制，同样采用PLC控制系统对高压柜进行控制，高压控制柜主要为主通风机的运行提供保护，包括有过载保护、过压保护和过电流保护以及对应的报警功能。本主通风系统高压进线柜内所配置的关键设备型号如表3所示。

表3 高压进线柜保护设备型号

3.2.2 低压开关柜的组成

根据主通风系统的控制要求为其配置12台低压开关柜，每台柜的类型及数量、编号如表4所示。

表4 低压开关参数统计

配电馈线柜主要用于对主通风系统相配套的控制风门的绞车、加热装置和照明系统等；每台低压开关柜均配置有隔离开关、断路装置以及继电器等，保证系统的安全运行。

4 变频通风系统的软件设计

在实际生产中工作面一般最少配置两台通风机，一台为工作通风机，另一台为备用通风机。当其中一台通风机出现故障时，在相应控制程序的控制下另一台通风机自动启动。但是，上述控制思路往往会导致一台通风机频繁工作，而另一台控制通风机的利用率却不高。未解决工作面两台通风机工作时间不均衡的情况，设定相应程序控制通风机自动切换，从而提高每台通风机的利用率[5]。针对上述问题，设计如图3所示的控制流程图。

5 结语

通风系统是保证综采工作面瓦斯浓度、粉尘浓度等满足《煤炭安全规程》相关标准要求的关键系统，其对煤矿安全生产的意义不言而喻。目前，针对煤矿主通风系统的主要问题是提升其自动化控制水平、控制效率和控制精度。为此，将基于PLC控制器和变频器的调速系统应用于主通风系统中，实现对通风机风量的实时、高效、准确的调节；同时，为确保工作面两台通风机的平衡运行，采用轮流切换的控制思路。

图3 通风机轮换工作控制流程图