基于变频技术的煤矿通风自动控制系统设计

田振玲

[摘    要]针对传统控制系统在实际应用中无法有效提高通风机运行效率问题，开展基于变频技术的煤矿通风自动控制系统设计研究。通过基于变频技术的操作台设计、PLC控制柜设计等硬件设计和矿井内部通风需求量计算、基于变频技术的不间断通风控制等软件设计，提出一种全新的控制系统。通过实验证明，新的控制系统能够有效提高通风机运行效率，实现2 4h不间断运行，同时提出了相应的补充措施，提高通风效果。

[关键词]变频技术;煤矿通风;自动控制

[中图分类号]TD724 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]Aiming at the problem that the traditional control system cannot effectively improve the operation efficiency of the ventilator in practical application， the design and research of coal mine ventilation automatic control system based on frequency conversion technology is carried out. Through hardware design such as frequency conversion technology-based console design， PLC control cabinet design and other hardware design， calculation of mine internal ventilation demand， and software design of uninterrupted ventilation control based on frequency conversion technology， a brand-new control system is proposed. Experiments have shown that the new control system can effectively improve the operating efficiency of the ventilator and achieve 24-hour uninterrupted operationAt the same time， the corresponding supplementary measures are put forward to improve the ventilation effect.

[Keywords]frequency conversion technology; coal mine ventilation; automatic control

當前，通风机的应用十分广泛，主要应用于工厂、矿井、隧道等需要进行通风、排尘的工作环境当中。在进行煤矿开采和生产的过程中，通风机承担着将新鲜的空气传输到矿井当中，将各类有毒气体和粉尘排放的重要任务。因此，通风机的运行，对于整个煤矿开采而言都有着至关重要的作用。由于通风机设备在煤矿开采的过程中具有一定的特殊性，当出现短暂停风的现象时，则会引起煤矿内瓦斯气体的爆炸，造成十分严重的煤矿开采事故，因此煤矿通风机必须保持全天候地不间断工作。基于这一特点，设计一种能够安全、有效、实时地通风自动控制系统，以此保障煤矿开采和生产的安全是一项重要的研究课题。传统煤矿通风控制系统在实际应用中，由于存在控制精度低、大量能源浪费、故障判断依靠操作人员经验判断等问题，因此存在着较大的安全隐患，威胁煤矿安全生产。基于此，本文结合变频技术对煤矿通风自动控制系统进行设计研究。

1 煤矿通风自动控制系统硬件设计

变频技术是一种把直流电逆变成不同频率交流电的转换技术。它可把交流电变成直流电后再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电后再把交流电变成直流电。其工作原理是将三相380 V（220 V）/50 Hz交流电通过整流桥整流变成脉动直流电，通过电解电容滤波后变成平滑的直流电，控制板对IPM、IGBT或模块的控制后将平滑的直流电变成三相频率可变的交流电。

1.1 基于变频技术的操作台设计

考虑到煤矿通风机运行的需要，本文将系统中的操作台设计为一个主台和两个辅台结构。在主台结构上配备触摸屏和两台通风机启动按钮，在辅台结构上放置两台型号规格均相同的工控装置。为了确保在出现短时间停低压电源的情况下，本文系统依然能够保持平稳运行，本对操作台的配电结构进行设计，如图1所示。

操作台作为本文系统的核心硬件，对于各类设备的控制主要通过按钮和旋转开关控制，通过开关和按钮更方便地对多台通风机以及相关辅助设备进行起停控制。本文在对操作台进行设计时，考虑到变频技术的应用需要，当选择操控台控制时，通过端子将变频装置的控制方式转换为端子控制，此时变频装置的控制端口为干节点，只能够通过无源开关量信号完成对变频控制的启动和停止。

1.2 PLC控制柜设计

基于煤矿通风自动控制系统需要，为确保实现对煤矿通风机的全天候自动控制，本文引入PLC控制柜结构。当系统当中某一单元出现问题，则通过PLC控制柜对备用单元进行切换，以此实现通风机的不间断运行，从而提高本文系统的可靠性。本文选择S8-150H型PLC控制柜，该型号PLC控制柜当中包含了两个416-3HCPU，其所有重要部件都为冗余配置，能够自动将出现故障的单元中断。当本文系统中某一单元出现故障时，备用单元与该单元自动同步建立连接，并由PLC控制柜中的CPU发出相应的Link请求，将所有相关数据发送到CPU当中。由于本文系统在实际应用中可能会出现利用模拟量输出进行变频装置频率调节的控制，因此在对PLC控制柜进行设计时，还选用将6ES8325-4JD05的双通道模拟输出模块作为备用。利用该模块将数字量的控制信号转换为通风机能够自动识别的标准电流和电压信号，以此实现对通风机的控制。

2 煤矿通风自动控制系统软件设计

2.1 矿井内部通风需求量计算

根据2011版《煤矿安全规程》的规定，矿井需要的风量分别按井下同时工作的最多人数计算和按采煤、掘进、硐室及其他用风地点实际需要风量的总和进行计算，并取其中的最大值。

在利用本文系统完成对煤矿通风机的控制时，首先应当确定在不同煤矿开采项目当中矿井内通风需求量。结合一般煤矿开采要求，分别对矿井内部通风需求量、局部通风机吸风量、采煤工作面的需风量进行计算。其中矿井内部通风需求量计算公式为：

式（1）中：M表示矿井内部通风需求量，矿井内部通风需求量表示为煤矿矿井内需风量备用系数;x为矿井空气密度;ms表示主通风机开采工作面上的通风需求量;ms'表示备用通风机的开采工作面通风需求量;mi表示独立风流通量;mr表示矿井内部其他结构上的通风需求量。

按工作面最多人员数量计算采煤工作面的需风量为：

Q综合=γNc （2）

式中：γ为每分钟单人所需最低风量，m3/min;Nc为采煤工作面同时工作的最大人数。

局部通风机吸风量为：

Q掘=Qf×Ii×Kf （3）

式中：Qf为掘进工作面局部通风机额定风量;Ii为掘进工作面同时运转的局部通风机台数;Kf为局部通风机吸循环风的风量备用系数，一般取值1.2～1.3。

根据上述公式，完成对矿井内部通风需求量的计算，为通风机控制提供依据。

2.2 基于变频技术的不间断通风控制

由于本文在对系统进行设计时，要求通风机能够保持24 h不间断地运行，因此考虑到不同煤矿开采的不同状态，本文引入变频技术，对通风机进行控制。变频技术主要是针对矿井通风机的电动机进行调速处理，其调速过程主要由三大类：

（1）改变电动机的磁极对数，即当电源频率一定时，电动机转速近似与磁极对数成反比，磁极对数增加一倍，转速近似地减小一半，公式为：

（2）改变转差率，在绕线型电动机回路里可以串联调速电阻，在恒转矩负载下，转子回路电阻增大，转速下降。

（3）改变电源频率，主要借助变频技术的变频器，可以使交流电源的频率连续调节，从而使交流电动机的转速能够从低速到高速都保持高效宽范围和高精度的调速性能。

在本文系统当中包括操作台运行模式和上位机操作運行模式两种，其中上位机操作运行模式主要通过人为控制的方式，由负责人员在上位机当中通过发送控制指令实现对通风机控制。操作台运行模式，主要是将变频装置产生的频率信号通过本文上述设计的操作台，对滑动变阻器给定一个数值，实现变频控制。当滑动变阻器的阻值为0～12 k时，此时由变频装置将相应的电阻转换为两路标准的电流信号，以此实现对变频装置的频率控制，进而控制通风机的不同运行状态。

3 对比实验

为了验证本文提出的基于变频技术的煤矿通风自动控制系统在实际应用中的可行性，避免在投入使用后出现故障问题影响煤矿开采现场施工进度，本文将该系统投入使用前，首先对其运行效果进行实验，为确保实验结果具有可对比性，选择将传统控制系统的运行参数作为对比，完成如下对比实验：

为确保实验结果的客观性，对于两种系统当中的PLC装置、操作台、通风装置等均采用相同的设备型号完成。选择将某煤矿通风机装置作为实验对象，分别利用本文提出的控制系统和传统控制系统对该通风机进行24 h不间断控制，对比两种系统控制下通风机的运行效率，见表1。

由表1可知，在本文系统控制下通风机的运行效率均超过1 000 m3/d;而传统系统控制下通风机的运行效率均小于1 000 m3/d，甚至在第3天到第5天只能达到500 m3/d左右。因此，通过对比实验证明，本文提出的基于变频技术的煤矿通风自动控制系统在实际应用中能够有效提高通风机的运行效率，实现对通风机的24 h不间断控制和运行，确保煤矿开采和生产的安全。

4 补充措施

在对煤矿通风自动控制系统进行优化设计的基础上，根据通风系统即通风方式，为保证井下个工作长所须有足够的新鲜风量，并降低通风费用，提出相应的应急情况应对措施，提高通风效果。

（1）矿井下巷道建议在支护条件许可的情况下，优先采用锚喷支护或砌碹支护;

（2）井下巷道布置尽量减少断面的变化，需要变断面处，尽量避免忽大忽小的急剧变化，巷道相交处尽量设计成平滑过渡的结构形式，以利风流顺利通过;

（3）井下每组风门最小设两道，并保证安装质量，以防人员，车辆通过时引起风流短路;

（4）对采动影响造成的巷道裂缝及时用水泥砂浆充填，减少漏风;

（5）及时密闭已采的区域即回采的工作面，减少向采空区内漏风。

5 结束语

基于通风机装置的重要作用，开展基于变频技术的煤矿通风自动控制系统设计研究，通过研究提出一种全新的控制系统，并结合实验论证的方式证明了该系统的实际应用效果。由于研究能力有限，本文系统当前无法实现对不同工况下矿井空气气压的有效提升，因此在后续研究中还将对此进行更加深入的探究。

参考文献

[1] 孙庆锋，刘柏，王少荣，等.转龙湾煤矿东风井运行通风系统优化调整[J].内蒙古煤炭经济，2020（15）：149-151.

[2] 胡伟伟.霍宝干河煤矿井下通风系统精准化异常诊断分析[J].山西焦煤科技，2021，45（1）：31-33.