煤矿井下通风机智能控制与监测系统研究.pdf

2 0 2 0年第0 8期 煤矿井下通风机智能控制与监测系统研究 张 亮 山西煤炭运销集团神农煤业有限公司, 山西 晋城 0 4 6 7 0 0 摘 要 针对现有的煤矿井下通风系统分散度高, 难以实现对各通风单元运行情况的自动监测控制的情况, 提出了 一种新的煤矿井下通风机智能控制与监测系统, 该系统以P L C对变频器的直接控制, 进而控制通风机的 运行状态, 满足不同工况下的通风安全性需求。同时, 通过在线监测系统, 能实现对风机运行状态的实时 监控, 自动判断系统的运行情况, 及时对故障进行预警, 根据实际应用表明该监控系统能显著提升井下通 风安全性, 具有极高的应用推广价值。 关键词 通风机; 智能控制; 监测系统;P L C; 故障预警 中图分类号 T D 6 3 D O I 1 0. 1 9 7 6 9/j . z d h y . 2 0 2 0. 0 8. 0 4 6 0 引言 矿井通风机作为煤矿的“ 肺腑” , 主要用于向井下巷 道持续输入新鲜的空气, 确保井下瓦斯和粉尘浓度处在 安全值以下, 满足人员在井下综采作业过程中对环境的 需求。为了确保对井下通风的可靠性, 多数通风系统均 采用大功率通风机在全功率下持续运行, 仅通过调整风 机运行时的风门角度或者是风叶的角度来对风机的运行 状态进行调整[ 1], 不仅电能浪费极大而且调整可靠性差, 难以满足紧急情况下的通风安全性需求, 由于缺乏精确 的运行监控系统, 无法有效地对风机的运行状态进行监 控, 只能通过定期维护的方式确保风机的运行稳定性, 导 致在实际工作中风机不仅极易出现停机故障而且维护时 需要作业人员逐点进行排除, 故障修复周期长, 效率低, 给煤矿井下的通风安全造车了巨大的安全隐患。本文提 出了一种新的煤矿井下通风机智能控制与监测系统, 利 用P L C控制中心实现对变频器的直接控制, 进而控制通 风机的运行状态, 满足不同工况下的通风安全性需求, 同 时通过在线监测系统, 实现对风机运行状态的实时监控, 自动判断系统的运行情况, 及时对故障进行预警, 根据实 际应用表明该系统具有智能化程度高、 风机调整灵活性 好, 能够实现对故障的预测和定位, 显著提升了煤矿通风 的安全性。 1 通风机智能控制系统结构 本文以矿山通风系统典型的双风道、 双对旋风机结 构为例, 对实现风机运行过程中风机间的自动切换控制、 数据监测、 故障预警功能进行研究, 结合矿井统通风系统 的实际工作调节, 所提出的矿井通风智能控制体系结构 如图1所示[ 2]。 根据矿井通风系统的监测控制需求, 本通风系统可 实现对风机运行过程中的风量、 风压、 风机运行电流、 功 率、 转速、 电机温度、 变频器工作参数的实时监测, 在各个 监控参数之间设置逻辑关联关系, 通过对各关键数据的 监测实现对风机运行状态和井下通风情况的判定和调 整, 提升井下通风安全性。在控制逻辑中以煤矿井下监 控点处的瓦斯、 粉尘浓度为调节触发信号, 将不同的浓度 和风机运行状态进行关联, 自动实现对风机运行情况的 智能化调控。 图1 通风智能控制体系结构示意图 2 通风机智能控制逻辑 为了满足通风控制系统对井下通风安全的自动化控 制, 根据矿井通风安全需求, 有针对性地设置了矿井通风 机智能控制逻辑[ 3]。在工作过程中风机的运行由上位机 对其进行控制, 系统发出运行指令后首先开启风门并启 动变频器, 变频器根据系统的控制指令输出风机运行控 制电流, 实现对风机运行转速和功率的灵活控制。该变 频控制器采用了V/F控制模式, 根据系统控制中心发出 的控制信号能够实现根据井下瓦斯和粉尘含量来实现对 风机运行风速的恒定控制。为了满足通风系统运行稳定 性和精确性的需求, 在控制系统中采用了对实际检测数 221 自动化应用 工矿自动化 收稿日期 2 0 2 0 - 0 5 - 0 6 作者简介 张亮 1 9 9 0 , 男, 山西太原人, 本科, 助理工程师, 主要从事监测监控工作。 2 0 2 0年第0 8期 据进行逻辑分析对比的闭环控制方案, 同时控制两台变 频器的输出, 实现对风机运行稳定性的控制。 该控制系统首先接收系统传送的电流和电压控制信 号, 在F B 4 1 连续控制的P I D用于控制连续变化的模拟 量 控制模块内对控制数据进行P I D控制分析, 对数据进 行处理后输出变频控制信号, 控制变频器的运行, 进而控 制矿井通风机的运行。监控系统同步对风机的运行情况 进行监测, 将监测数据经I R F 智能弹性架构 分析后传 输到滤波器内对数据进行滤波和降噪处理, 经P I D控 制[ 4]分析后输出调整控制量, 实现对风机运行情况的闭 环控制, 该智能控制架构如图2所示。 图2 通风智能控制逻辑结构示意图 在该闭环控制系统中还针对不同运行工况设置了不 同的风机切换模式, 主要包括正常运行工况下的风机切 换、 故障情况下的风机切换。在风机正常切换的情况下, 采用了等量换风模式, 主风机逐渐降低转速、 备用风机逐 渐增加风机转速, 确保在整个风机切换过程中供风系统 的供风量保持不变, 从而确保煤矿井下通风安全性和可 靠性。当通风系统的风机出现故障后, 系统自动识别风 机运行故障信号, 然后触发故障风机切换执行程序, 控制 主风机按紧急制动模式进行制动, 同时控制备用风机开 启紧急启动运行程序, 实现对通风系统运行安全的有效 控制。 为了满足特殊情况下风机运行控制需求, 在系统中 还设置有反风运行控制逻辑, 当执行反风运行控制时, 系 统将控制风机按照预设的控制曲线进行降速运行, 直到 风机停止后, 再按照设定的柔性反风启动运行曲线运行, 确保风机系统运行的稳定性。 3 自动监控系统的故障检测 为了确保对通风系统运行状态的准确判定, 该系统 中增加了故障检测和判定程序, 该故障诊断程序采用了 S Q L S e r v e r数据程序库, 该数据库与各数据采集、 处理设 备均通过C AN数据总线相连接, 各类监测数据通过工业 以太网采集系统传输到数据库内, 该故障检测系统对通 风系统运行状态的检测主要通过振动检测来进行。数据 检测主要包含水平振动检测、 垂直振动检测、 波形检测、 速度频谱检测等, 根据检测结果确定一条有规律的波形, 对其进行判断。 对得出的波形曲线进行判断, 设置上下波动区间, 根 据振动过程中波形峰值超出区间的大小机频段, 设置不 同的故障对应状态, 进而判断出故障发生的原因。在风 机运行过程中实现对通风系统运行状态的有效监测, 及 时进行故障报警, 便于及时进行维护, 确保风机运行的稳 定性和井下通风的运行安全性。风机运行过程中的振动 频谱特征如图3所示。 图3 基于振动诊断的故障特征频谱示意图 该煤矿井下通风机智能控制与监测系统目前已在多 个煤矿进行了成熟应用, 自应用以来实现了井下直接减 少了4名矿井通风巡查人员, 而且实现了根据井下瓦斯、 粉尘浓度对风机运行状态进行智能控制, 不仅能保证通 风安全, 还能提高通风过程中的节能控制, 同等条件下的 耗电量降低了1 7. 4, 显著提升了矿井通风系统运行的 稳定性。实现了对通风稳定性的自动监控, 及时报警, 将 通风机的维修时间缩短了7 0以上, 显著提升了通风系 统运行的安全性。 4 结语 针对现有的煤矿井下通风系统分散度高, 难以实现 对各通风单元运行情况的自动监测控制, 给煤矿井下通 风安全造成严重影响的现状, 提出了一种新的煤矿井下 通风机智能控制与监测系统, 采用了智能通风控制和故 障自动检测系统, 实现了对风机运行的自动化控制和故 障的自动判断, 有效提升了风机运行的稳定性和安全性, 根据应用结果表明 1 该智能控制系统采用了V/F控制模式, 根据系 统控制中心发出的控制信号能够实现根据井下瓦斯和粉 尘含量来实现对风机运行风速的灵活控制; 2 该智能通风控制系统能够实现减少4名矿井通 风巡查人员, 同等条件下的耗电量降低了1 7. 4, 通风机 的维修时间缩短了7 0以上, 显著提升了风机运行的经 济性和安全性。 参考文献 [ 1] 闫鑫, 戴鹏, 万紫嫣 .矿井主扇风机监控系统的研究应用 [ J].煤矿机械,2 0 1 3,3 44 2 3 7 - 2 3 9. [ 2] 闵磊.基于 P L C 和组态软件的局部通风机监控系统的研 究[D].淮南 安徽理工大学, 2 0 1 2. [ 3] 郝迎吉, 侯雅丽, 张成.基于 P L C 和 MC G S 的通风机监控 系统设计[ J].煤矿机械,2 0 1 5,3 66 2 8 3 - 2 8 6. [ 4] 闫大群.基于网络解算的综采工作面瓦斯浓度监测预警 系统研究[D].西安 西安科技大学, 2 0 1 8. 321 工矿自动化 自动化应用