煤矿主通风机无人值守系统探究

张锁仁

摘  要：矿井空气通风机系统是保证煤矿安全清洁生产的重要关键设备，矿井主通风机作为煤矿中最重要的通风设备，又被称为“煤矿之肺”，主通风机的可靠运行是保证煤炭开采作业正常安全进行的必要前提。由通风机为主要设备所构成的煤矿通风系统的主要任务是向井下运送新鲜空气，并控制井下有害气体、瓦斯及粉尘的浓度，如果通风系统发生故障，将会给井下生产作业带来严重的安全隐患。因此针对通风机建立一套安全、可靠、智能的监测与控制系统对提高煤炭生产的效率和安全性具有重要意义。

关键词：煤矿;通风机;无人值守系统

引言

我国早期煤矿通风系统的供电方式大多采用单电源回路，系统的结构过于简单，可靠性低下，时常发生意外断电断风等问题，极易造成井下有害气体或粉尘浓度急剧增大，给井下煤炭开采作业带来十分严重的安全隐患;同时相应的监控系统在通风环节出现意外时无法保证故障信息的及时上传，风机运行参数的监测精度及响应速度普遍低下，无法实时掌握主通风机的运行状态，且风机的控制操作繁琐复杂，无法在主通风机出现故障被迫停机时及时切换至备用风机保障井下通风，不能满足目前煤矿智能化监控的需求。虽然目前国内已对矿井通风测控系统进行了大量的研究及改进，但由于国外对先进通风监控设备及技术的垄断，导致我国煤炭开采智能化的发展受到严重制约。

1煤矿主通风机存在的问题

①无法根据瓦斯浓度自适应调整风速、风量，出现“一风吹”的现象。②当瓦斯浓度降低至安全范围之内时，局部通风机仍然正常工作，电能浪费现象严重。③当瓦斯浓度突然增加时，局部通风机的风速、风量达不到稀释瓦斯浓度的要求，存在较大的安全隐患。④局部通风机正常工作时，经常出现“大马拉小车”的现象，长期处于工频运行状态。

2煤矿主通风机无人值守系统

2.1煤矿主通风机自动化控制技术

矿井主通风机素有“矿井肺腑”之称，担负着向煤矿井下工作面输送新鲜空气、排出有毒有害气体和粉尘的重任，是保证矿井通风系统安全稳定运行时煤矿安全生产的重要工作。矿井通风机作为矿井通风系统主要通风设备，在日常生产中由于通风机数量较多，在正常运行过程中通风机存在间歇时间長、通风效率低、低负载运行等问题，严重浪费电能。所以对通风机进行变频调速是十分重要的。

2.1.1自适应模糊PID控制技术

传统通风机有大惯性、模型时变及大时滞等特性，其运行过程中的控制量不能准确反映系统的扰动，所以通风机的控制十分复杂。随着计算机科学的不断发展，智能化逐步运用于矿井开采中，基于自适应模糊PID控制可以较好地实现变频控制。自适用模糊PID控制器是采用自适应模糊推理的方式，对PID调节器的各个参数进行整定，从而实现稳定控制。自适用模糊PID控制器的工作流程为对控制器进行给定值的输入，给定值输入后对给定值与实际值进行比较分析，确定两者的差值，此时模糊推理控制模块会对差值进行分析，从而得出修改PID控制器的参数，实现实时调节，系统一直持续循环以上过程，实现控制器的最优化管理。通风机风量调节原理同样是对给定值进行一系列的计算，从而对比得出变频器输入量，实现异步电动机的实时控制，达到控制风量的目的。对比分析自适应模糊PID控制与模糊控制响应曲线，首先进行仿真模拟的数据设置。由于两者为单一变量对比，所以两者的参数设置应当一致，完成模型的设置后进行仿真。

2.1.2变频控制系统设计

通过仿真研究确定了自适应模糊PID控制技术后，对系统风机变频调速控制系统进行设计。PLC控制器选定S7-400H为核心控制器，利用传感器对系统的风压等参数进行采集，通过通信模块实现控制器与变频器的数据交流，同时利用上位机实现风机数据的显示。PLC控制器的输出电流为10A，接口模块为IMI153，数字量输出输入模块分别为6ES7322-1CF0-0AA0和6ES7321-7BH01-0AB0，模拟量的输入输出模块分别为6ES7331-7KF02-0AB0和6ES7322-5HF00-0AB0，与上位机采用CP1623通信板卡连接。

2.2矿用地面压风机无人值守系统

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，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。智能化无人值守通风系统选用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。

2.3矿用通风机监控系统的设计

压力传感器、温度传感器和振动传感器等都会被安装在通风机监控系统的物理层中，以下便是各种传感器的作用以及设计具体的电路连接方式。①压力传感器。井下的环境比较艰苦，需要实时感知周围的空气压力，确保通风排气的正常进行。选择JQYB-A1型的气体压力传感器安置在通风机机房的周围，并外接24V的电源为其供电，该传感器具有极性反相保护功能，而且抗干扰能力强，能够很好的适应井下的环境。②温度传感器。因为通风机需要长时间的将空气一直输送到矿井中，驱动电机和机轴等位置的温度会因为长时间的工作而持续升高，因此需要对这些部位的温度进行测量，避免温度过高，烧毁电机。将型号为PT100的温度传感器放置在机轴附近，并外接24V的电源为其供电，同时连接一个热电偶。③振动传感器。通风机正常工作时，驱动电机会发生无规则的振动，如果振动的频率过大，会导致电机烧毁，还可能会破坏轴承，使得叶片变形，通风机也会因此损坏。所以，要选择灵敏度比较高的CD-21-S型振动传感器对电机的振动频率进行监测，确保在电机的振动速度加快时能够及时发现振动频率的变化。

结语

所设计的煤矿主通风机无人值守系统能够对主通风机进行实时监控，对电流、温度、振动、风量、风压、频率等工况实现在线监测，具备数据实时监测与报警功能，有关监测数据可进行存储、查询，地面调度室或集控中心远程控制主通风机启停。该系统稳定性高、易操作，具有灵活的运行方式，便于管理、维护，有效地推动了煤矿通风智能化管理的发展进程。

参考文献

[1]周福宝，魏连江，夏同强，等.矿井智能通风原理、关键技术及其初步实现[J].煤炭学报，2020，45（6）：2225-2235.

[2]宋瑞.矿井主通风机监控及故障诊断专家系统研究[D].西安：西安科技大学，2019.