通风机智能变频调速控制系统的研究

2022-08-08牛小文

机械管理开发 2022年7期

牛小文

（霍州煤电吕临能化公司庞庞塔煤矿，山西吕梁 033200）

引言

随着井下综采作业技术的不断提升，煤矿综采作业深度及巷道长度不断增加，井下气流流通性变差，严重影响了煤矿井下综采作业的安全性。矿井通风系统主要作用是向井下持续输送新鲜空气，并将粉尘及各类有害气体排出，其运行的稳定性和可靠性直接决定了井下综采作业安全。目前矿井通风系统均采用了连续不间断的运行模式，但由于控制模式较为落后，无法进行智能化控制，调速性能差、运行功耗高、反应速度慢，难以满足井下通风安全性的需求。本文提出了一种新的矿井通风机智能变频控制系统，对矿井通风系统布置结构、控制逻辑等进行了分析。

1 矿井通风系统布置结构

为了满足矿井通风系统通风可靠性需求，首先对矿井通风系统的结构进行了调整，增加了闭环监测系统，实现对井下空气状态的智能监测和判断，满足数据信息自动更新和分析的需求，其次在系统内增加了变频控制器，利用变频控制器直接对通风机的运行状态进行灵活调控，满足不同状况下灵活通风的需求，该变频调速控制系统的整体结构如图1 所示[1]。

由图1 可知，该通风机智能控制系统采用了模块化控制结构，利用设置在风机和井下的监测系统对风机的通风状态进行监测，将其传输到控制中心，控制中心再结合井下巷道内的气体状况，对风机的运行情况进行判断。然后发出转换信息，将调整信号传递到变频器，控制变频器输出，满足对通风机运行状态动态调整的需求。

图1 变频通风系统结构示意图

2 控制及监测逻辑

为了满足对通风系统控制可靠性的需求，共设置了上位机控制、就地控制及操作台控制，能够根据不同的情况，灵活选用不同的控制方式，提高对系统控制的灵活性。在正常情况下系统的运行主要通过上位机处的控制来完成，操作台控制主要是在系统调试阶段使用，就地控制主要是在井下紧急情况下用于就近控制。

为了解决传统控制方案采用风门调节风量使控制精确性差的问题，引入了变频器调节模式，实现了对风量调整的自动化和精确化。在运行控制阶段通过传感器设备对风机和现场的各类信息进行收集，然后将数据传输到PLC 控制中心内，利用提前设置好的控制逻辑进行分析，一方面将风机运行状态和井下通风环境显示在控制中心，以便于人员进行监控；另一方面能够对异常数据进行标示和预警，以便于工作人员对矿井通风系统的整体运行情况及煤矿的井下通风情况进行掌握分析，提高了通风系统的稳定性和可靠性。

由井下的环境多变，因此为了保证对井下通风状态调整的精确性，引入了PID 闭环控制逻辑[2]，其整体结构如下页图2 所示。

图2 通风系统闭环控制逻辑示意图

PLC 控制系统给出控制定值后，由PID 控制模块进行分析。然后结合通风机数据监测系统的监测结果，对两类数据进行对比，获取偏差量，然后根据预设的修正逻辑，对数据状态进行修正，输出优化后的调节控制逻辑给变频器，进而保证通风机运行状态调节的精确性，满足调控安全性的需求。

3 通风系统硬件结构

煤矿通风系统运行环境比较复杂，对控制稳定性要求极高，因此为了满足通风机智能变频控制安全性的需求，选用了S7-412-5H 型可编程控制器，其采用了冗余CPU 结构设计特征[3]，具有极高的可靠性，在运行过程中若出现故障，则系统就自动将其数据传送到备用控制器内，由备份控制器继续接替主CPU 工作，保证了整个通风系统控制的稳定性。通风机变频调速硬件控制流程如图3 所示。

图3 通风机变频调速硬件控制流程图

变频控制器是该通风控制系统的核心，用于控制通风机的运行状态，实现对井下风量、风速、风压状态的智能调整。为了适应通风系统上位机控制、就地控制及操作台控制的需求，采用工业以太网高速数据通信系统对变频器及通信模块进行控制，为了满足数据高速、大容量的传输需求，在各个数据接口处采用了DP通信接口[4]，具有数据传输量大、通信效率高的优点。

变频器采用了西门子的无谐波变频器，能够和数据控制中心进行直接连通、可靠性高、能够满足对电机运行参数进行自动整定的需求，可以消除在变频控制过程中的有害谐波及转矩脉动，提高对通风机变频控制的稳定性和可靠性[5]。

4 通风系统监测系统

该通风系统运行可靠性的核心是对风机运行状态及井下通风状态检测的可靠性，因此在该通风机智能变频控制系统中设置了完善的传感器检测结构，实现对通信系统、上位机、通风机、井下巷道环境的实时监测。该监测系统能够对所接收到的数据信息进行自动调整和分析，将各类数据以图表、曲线图、柱状图等形式显示在上位机的控制中心，使操作人员能够根据界面显示，快速地判断通风系统的运行状态，直观性高。

为了满足监测可靠行的需求，尽量降低监测过程中的误差，对各类传感器的布置位置进行了精确分析，最终决定在驱动电机上设置温度、振动传感器，电流、电压传感器等，对风机驱动电机的运行状态进行监测，在井下综采面空气流动性差的地方设置瓦斯浓度传感器、粉尘传感器、一氧化碳浓度传感器等，在通风巷内设置风速、风压传感器，对各类信息进行精确监测。监测系统能够将接收到的数据信息存储到服务器内，保证对数据实时查询的便捷性，一旦出现异常数据系统一方面进行报警，一方面对异常状态进行自动调整，通过对风机运行转速的优化，保证井下通风安全。该通风监测系统结构如图4 所示[6]。

图4 通风监测系统结构示意图

目前给通风机智能变频控制系统已经在多给煤矿投入应用，根据实际监测表明，该系统能够将调速控制时间由最初的22.7 s 降低到目前的2.6 s，将调速控制时间降低了88.4%。在运行过程中的日平均耗电量由最初的1 149.3 kW·h，降低到了目前的878.1 kW·h，将运行耗电量降23.6%，显著提升了矿井通风系统的运行稳定性和可靠性。