综掘工作面通风机变频控制系统设计

李慧平

（晋能控股集团挖金湾煤业公司， 山西 大同 037003）

引言

通风机是煤矿井下关键性的安全保证设备，负责井上、井下空气交换，降低工作面瓦斯等有毒有害气体浓度，降低工作面温度，为一线工作人员创造较好的工作环境。目前，煤矿井下通风机一般采用恒转速控制，即通风机启动后，按照一定的转速运行，当瓦斯等有毒有害气体浓度下降至安全范围之内后，转速仍然不变，即“一风吹”。国外通风机控制系统的发展较为迅速，如日本的三井三池、德国的Korfman、俄罗斯的BM 等通风机具有低噪声、控制模式先进、运行方案合理、节能效果好的特点[1-3]。国内的JBT/YBT 系列通风机、斜流式/对旋式通风机具有体积小、风压高、送风距离长的优点。但是，煤矿井下通风机控制系统还存在以下问题需要解决：运行效率低下，通风机运行效率为45%～65%之间；控制方式落后，恒速控制时电能浪费现象严重，变频控制时，无法根据实际工况自动调节通风机的工作状态；管理不合理，通风机的运行状态与工作面设备的工作状态分离，即巷道内无设备作业时，通风机仍处于运行状态，存在安全隐患[4]。文章基于变频控制、模糊控制原理对综掘工作面用通风机控制系统进行研究，改变“一风吹”现象，保障综掘工作面瓦斯、CO 等有毒有害气体不超限，保障煤矿井下安全生产。

1 变频、模糊控制原理分析

1.1 变频控制原理

交流三相异步电动机的同步转速可表示为式（1）：

式中：n0为同步转速，r/min；f1为频率，Hz；p 为极对数，为定值。即交流三相异步电动机的同步转速与频率成正比关系，连续改变f1，即可实现对电动机同步转速的连续调速。

交流三相异步电动机的转差率s 可表示为式（2）：

式中：n 为转子转速，r/min；则交流三相异步电动机的转子转速可表示为式（3）：

根据式（2）以及式（3）可知，交流三相异步电动机转子转速与频率、转差率以及极对数相关，但改变供电频率为调速的最优方案。

1.2 模糊控制原理

模糊控制以模糊集合论、模糊语言变量、模糊推理为基础，以语言变量描述控制规则的智能控制方法，模糊控制原理如图1 所示。偏差e、偏差变化率ec为模糊控制器的输入变量，经模糊量化、知识库决策、解模糊后得到模糊控制器的输出u，可直接作用与被控对象。

2 系统设计

煤矿井下综掘工作面通风机控制系统整体设计原理如下页图2 所示，由控制器模块、掘进深度模糊控制器、风速模糊控制器、瓦斯浓度模糊控制器、变频器等组成。根据综掘工作面设备分布情况以及瓦斯浓度积聚特点将瓦斯浓度传感器、风速传感器、温度传感器等布置与合适位置，并实时采集、周期性将数据发送至控制器模块。根据掘进深度、瓦斯浓度对通风机转速进行变频、模糊控制，使得综掘工作面瓦斯浓度始终限制在安全设定范围之内。控制器模块负责处理并接受掘进深度、风速以及瓦斯浓度模糊控制器的输出信号，进而完成对变频器的模糊控制，最终实现通风机按需、变频运行。变频器需将母线电压、母线电流以及运行状态、故障信息等数据反馈至控制器模块，采用CAN 总线通信模式实现。为保证控制器对变频器的安全、稳定控制，增加电压信号采集单元、电流信号采集单元获取变频器的电压、电流信号[5-6]。通风机运行时的实际电流信号经放大电路处理后发送至控制器。为及时掌握控制系统运行状态，控制器模块还需控制发光二极管、LED 显示器等模块。

图2 煤矿井下综掘工作面通风机控制系统整体设计原理

3 硬件设计

煤矿井下综掘工作面通风机控制系统的直流电源采用Chroma 62050H-600 模块供电。变频器采用ABB 的ACS800-2，具有输出电压谐波小、频率不受限、能量双向流动、四象限运行的特点。2 台通风机均采用的型号为J03-100L4 三相异步变频电机。控制器模块核心芯片选用TMS32028335，主频为150 MHz，具有2×8A/D 通道，分辨率为12 位，转换周期为80 ns，输入量程为-3～+3 V 或者4～20 mA，数据处理能力强、浮点运算快等特点，满足煤矿用通风机控制系统要求。选用GJC4 型瓦斯浓度传感器，可连续监测设备附近风流中的瓦斯浓度，当环境中的瓦斯浓度达到报警设定值后，触发声光语音报警；当环境中的瓦斯浓度达到断电设定值后，启动通风机闭锁；当环境中的瓦斯浓度回落至安全设定值后，解锁通风机闭锁关系并持续监测环境中的瓦斯浓度。该瓦斯浓度传感器的测量范围为0.00%～4.00%，响应时间小于20 s，传输距离小于2 km，具备瓦斯超限报警、超限闭锁、自动解锁等功能[7-8]。选用GFW15 本质安全型矿用智能风速检测仪，应用超声波原理输出与风速对应的频率信号并发送给控制器模块进行处理和显示。该风速检测仪可测量的风速范围为0.3～15 m/s，工作频率为140～150 kHz，传输距离小于2 km，允许误差小于±0.3 m/s。

4 软件设计

4.1 控制器程序

煤矿井下综掘工作面通风机控制系统软件采用C 语言编程实现，根据变频通风控制系统功能进行模块划分，具体包括初始化模块、CAN 总线通信模块、逻辑控制模块、自适应调速模块、故障处理模块等。表1 所示为控制器与变频器的CAN 总线通信协议。

表1 控制器与变频器CAN 总线通信协议（部分）

4.2 监控平台程序

煤矿井下综掘工作面通风机控制系统软件监控平台如图3 所示，主控制器与监控平台之间通过CAN 总线通信完成数据交互。监控凭条根据定义的CAN 通信协议对接收到的数据进行解析并与本地定义变量关联。监控平台软件由组态画面、脚本程序、报警配置以及网络配置四部分组成。在组态画面中设计通风机运行画面、报表查询画面、风量控制画面以及报警显示界面，实时展示通风机运行状态[9-11]。在组态画面中设计的动态效果由脚本程序完成，另外脚本程序还可以实现报表的存储、查询以及触发报警功能等。当通风控制系统出现故障时，可根据报警设置画面进行登录并查询报警内容以及报警事件。该通风系统监控平台还提供TCP/IP 登录客户端，用户可实现远程登录。

图3 煤矿综掘工作面通风机变频控制系统监控平台

5 结语

煤矿井下通风系统耗能大，现有通风控制系统没有彻底解决“一风吹”现象，运行效率不高。文章基于变频控制技术、模糊控制技术以及CAN 总线通讯技术设计并实现的煤矿综掘工作面通风变频控制系统，能够根据巷道内瓦斯浓度实时值自适应调节通风机转速，在保证瓦斯浓度保持在安全范围的基础上达到节能降耗的目的，为煤矿综掘工作面高效率生产提供安全保障，具有较好的社会和经济价值。