【文章內(nèi)容簡介】 tem raised the automatic management level of the main fanner equipments， guaranteeing the economy of the main fanner equipments circulate credibility. For the management of the equipments and maintained, this system can provide dependable scientific warranty. Keywords: Coal mine ventilator。 PLC。 Online monitoring 11 1 緒論 礦井通風系統(tǒng)簡介 礦井通風系統(tǒng)是 礦井通風 方式、通風方法和 通風網(wǎng)絡的總稱 ， 基本任務是：供給井下足夠的新鮮空氣，滿足人員對氧氣的需要 ， 沖淡井下有毒有害氣體和粉塵，保證安全生產(chǎn) ， 調(diào)節(jié)井下氣候，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境 ，所以本設計主要是對通風系統(tǒng)內(nèi)的風壓風量及瓦斯?jié)舛鹊目刂啤?礦井通風系統(tǒng)由影響礦井安全生產(chǎn)的主要因素所決定。根據(jù)相關因素把礦井通風系統(tǒng)劃分為不同類型。根據(jù)瓦斯、 煤層自燃 和高溫等影響礦井生產(chǎn)安全的主要因素對礦井通風系統(tǒng)的要求，為了便 于管理、設計和檢查，把礦井通風系統(tǒng)分為一般型、降溫型、防火型、排放瓦斯型、防火及降溫型、排放瓦斯及降溫型、排放瓦斯及防火型、排放瓦斯與防火及降溫型幾種，依次為 18 八個等級。礦井通風方式有串聯(lián)通風和并連通風兩種。 按 進 回風巷 在井田位置不同，通風系統(tǒng)分為中央式 、 對角式 、 分區(qū)式和混合式礦井通風系統(tǒng) 。 礦井通風系統(tǒng)是由通風機和通風網(wǎng)絡兩部分組成。風流由入風井口進入礦井后，經(jīng) 過井下各用風場所，然后進入回風井，由回風井排出礦井，風流所經(jīng)過的整個路線稱為礦井通風系統(tǒng)。 礦井通風方法以風流獲得的動力來源不同，可分為自然通風和機械通風兩種。（ 1）自然通風：利用自然氣壓產(chǎn)生的通風動力，致使空氣在井下巷道流動的通風方法叫做自然通風。自然風壓一般都比較小，且不穩(wěn)定，所以《 煤礦安全規(guī)程 》規(guī)定：每一礦井都必須采用機械通風。（ 2）機械通風：利用扇風機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的通 風動力，致使空氣在井下巷道流動的通風方法叫做機械通風。采用機械通風的礦井，自然風壓也是始終存在的， 而且也 并在各個時期內(nèi)影響著礦井的通風工作 ， 在通風管理工作中應給予充分重 視。礦井通風系統(tǒng)的基本要求是： 1．每個礦井，至少要有兩個通到地面的安全出口。 2．進風井口要有利于防洪，不受粉塵，有害氣體污染。 3．北方礦井、井口需裝供暖裝備。 4．總回風巷不得作為主要人行道。 5．工業(yè)廣場不得受扇風機噪音干擾。 6．裝有皮帶機的井筒不得兼作回風井。 7．裝有箕斗的井筒不應作為主要進風井。 8．可以獨立通風的 礦井，采區(qū)應盡量獨立通風，不宜合并一個通風系統(tǒng) 。保證系統(tǒng)能夠獨立地進行工作，這樣當一個礦井出現(xiàn)故障時，另一個礦井的通風工作不受影響。使生產(chǎn)不受大面積的受阻。 9．通風系統(tǒng)要為防治瓦斯、火、塵、水及高溫創(chuàng)造條件。 10．通風系統(tǒng)要有利用深水平或后期通風系統(tǒng)的發(fā)展變化 [6] 國內(nèi)外研究狀況 礦井通風系統(tǒng)分析技術現(xiàn)狀煤礦通風系統(tǒng)是保障安全生產(chǎn)的基礎同時又受制于煤層地質(zhì)條件及由此形成的礦山井巷系統(tǒng)的特點。近年來煤礦擴能及生產(chǎn)的集約化成為了普遍的趨勢礦井裝備水平迅速提 12 高系統(tǒng)有了明顯的簡化。但是現(xiàn)在仍有大量開 采多年的老礦系統(tǒng)極為復雜大量新井產(chǎn)能的高度集中造成了系統(tǒng)新的隱患礦井在日常生產(chǎn)中所遵從的分區(qū)通風格局抗災能力不足在強烈的擾動面前有可能形成嚴重的風流紊亂因而需要有預先的判斷和分析礦井主扇和通風構筑物作為礦井通風系統(tǒng)的重要構成部分其參數(shù)選取、布局、可靠性等均對系統(tǒng)的合理運行起著重要的作用 [1]。因此礦井通風系統(tǒng)的合理性、可靠性和抗災能力分析對于防止通風瓦斯及煤層自燃等意外的出現(xiàn)對于礦井預防處理通風瓦斯意外及災變的能力對于提高礦井安全管理水平均有著重要的作用。 我國煤礦的重、特大瓦斯事故所造成的井下人員大量傷 亡均源于通風系統(tǒng)抗災能力不足致使正常生產(chǎn)時的分區(qū)通風在瓦斯爆炸條件下受到破壞爆炸氣體進入了爆源以外的廣泛區(qū)域使其他通風分區(qū)乃至全礦井下的人員中毒死亡。研究瓦斯爆炸對分區(qū)通風的破壞機理對瓦斯爆炸條件下通風系統(tǒng)的抗災能力予以定量評價和分級研究災變條件下維持分區(qū)通風的條件和相應措施對于提高通風網(wǎng)絡的抗災能力有著現(xiàn)實的意義。 煤礦安全規(guī)程對煤礦通風有嚴格的要求和限制特別在高突礦井明確禁止使用串聯(lián)通風。因此以各采掘工作面為核心的分區(qū)通風成為了煤礦通風的基本規(guī)定和實踐。在礦井災變條件下維持正常分區(qū)通風的能力是評價礦井通 風系統(tǒng)抗災能力的基本考慮因素。除巷道布置這一重要但難以調(diào)整的因素之外分區(qū)通風及風量分配調(diào)節(jié)主要依靠于風門、風窗等通風設施的應用其類型、數(shù)量、分布上的合理性是影響通風系統(tǒng)合理性的基本因素扇風機及通風構筑物受礦井生產(chǎn)活動及災變影響而失去原定功能時礦井通風維持在合理水平上的能力則是通風系統(tǒng)可靠性的重要標志。礦井通風是一個古老的技術領域但對災變條件下維持分區(qū)通風的相關技術、特別對于瓦斯爆炸與通風系統(tǒng)的相互作用缺乏必要的理論與實驗研究。我國瓦斯爆炸頻發(fā)許多爆炸力學工作者對氣相爆轟進行過深入研究瓦斯爆炸方面的文獻十分豐富但現(xiàn)有的成果與煤礦井下的實際尚有較大差距如井下特有的結構設施、巷道特征等等研究煤礦井下結構設施與瓦斯爆轟波及沖擊波相互作用的成果較少井下通風設施抗爆強度的理論研究基本是空白現(xiàn)有的文獻多限于事故現(xiàn)象的簡單描述。深入系統(tǒng)地研究煤礦井下瓦斯燃爆的物理機制及其災害效應對于正確評價分析煤礦預防瓦斯爆炸安全等級、科學地改進井下通風設施和巷道布置具有極其重要的學術價值和實際意義。在此基礎上模擬了氫氧燃燒驅(qū)動的破膜過程以及破膜前后壓縮波、稀疏波對火焰陣面的影響。同時也研究了瓦斯爆炸過程中壓力波、火焰與障礙物的相互作用。近 幾年國內(nèi)學者開展了瓦斯煤塵爆炸機理、傳播規(guī)律及防治對策的研究工作同時也揭示了瓦斯爆炸火焰的結構特征及其影響因素揭示了瓦斯爆炸過程中爆炸波的特征參數(shù)變化規(guī)律及其影響因素開展了壁面熱效應對瓦斯爆炸傳播規(guī)律影響作用的實驗研究建立了管內(nèi)瓦斯爆炸能量平衡方程。通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究煤礦井下巷道條件對瓦斯爆炸及其沖擊波衰減的影響規(guī)律研究各種通風設施結構與爆轟波、沖擊波的相互作用研究各種通風設施結構在沖擊波載荷下的破壞過程和極限強度將能夠?qū)ΦV井分區(qū)通風的抗災能力對礦井通風系統(tǒng)的合理性、可靠性及抗災能力予以定量的 評價和分級這些都是當前該研究領域的前沿課題。 [10] 課題的主要研究內(nèi)容和機構安排 煤礦礦井通風系統(tǒng)是煤礦礦井安全生產(chǎn)的重要組成部分 ， 煤礦礦井通風系統(tǒng)能否正常工作與礦井內(nèi) 13 工作環(huán)境條件、生產(chǎn)效率、安全生產(chǎn)密切相關 。 隨著我國政府對各行各業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)管力度的不斷加強 ，尤其對煤礦安全生產(chǎn)的要求越來越高 ， 對煤礦礦井通風系統(tǒng)進行技術改造 ， 提高其運行穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能降耗等勢在必行。 目前煤礦礦井通風系統(tǒng) 的控制系統(tǒng)， 大多仍采用繼電、接觸器控制系統(tǒng) ， 但這種控制系統(tǒng)存在著體積大、機械觸點多、接線復雜、可靠性低、排除 故障困難等很多的缺陷； 如果 工作通風機 不采用變頻控制，那么礦井通風量的調(diào)節(jié)方法，只能依靠兩個垂直風門提起的高度，和調(diào)節(jié)風機扇葉的數(shù)量和角度。那么主通風機就會 一直高速運行 ， 備用通風機停止 ， 不能輪休工作 ， 易使工作通風機產(chǎn)生故障，降低使用壽命 ，也會造成很大的能源浪費 。 針對這一系列問題，隨著電子技術和微電子技術的迅速發(fā)展 ， PLC 和變頻器正成為通用、廉價和性能可靠的控制和驅(qū)動設備 ， 得到廣泛的應用 。 本系統(tǒng)將 PLC 與變頻器有機地結合起來，采用以礦井氣壓壓力為主控參數(shù)，實現(xiàn)對電動機工作過程和運轉(zhuǎn)速度的有效控制，使礦井 中用 的離心 通風機通風高效、安全，達到了明顯的節(jié)能效果。由 PLC 控制的變頻調(diào)速 離心風機的 通風系統(tǒng) ， 具有較高的可靠性和較好的節(jié)能效果 ， 易于組建成整體的自控系統(tǒng) ， 很方便地實現(xiàn)各種控制切換和遠程監(jiān)控 。 PLC 控制系統(tǒng) 還 具有對驅(qū)動風機的電機過熱保護、故障報警、機械故障報警和瓦斯?jié)舛葦嚯姷裙δ芴攸c，為煤礦礦井通風系統(tǒng)的節(jié)能技術改造提供一條新途徑。 本文結構安排 本論文以礦井對旋軸流風機為研究對象，以西門子 S7200 可編程邏輯控制器作為監(jiān)控核心，運用溫度，壓力，振動等傳感器和電量采集單元對風機運行狀態(tài)以及各種 電量參數(shù)進行檢測。同時，利用PLC 和上位機之間的通信實現(xiàn)通風機運行的在線監(jiān)控。本論文還討論了利用變頻器控制通風機的變頻運行，實現(xiàn)風機的高效節(jié)能運行。具體地說，本論文的主要研究內(nèi)容如下： 1 實現(xiàn)信號采集與實時監(jiān)測，包括風機的運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、負壓、流量、軸承振動、軸承溫度、定子溫度、電壓、電流、功率、效率等。 2 控制系統(tǒng)能實現(xiàn)風機手動和自動變頻運行的切換，使風機處于工頻或變頻運行狀態(tài)。在變頻運行時，該系統(tǒng)能根據(jù)壓力傳感器的模擬量輸入，經(jīng) PLC 內(nèi)部運算，計算出系統(tǒng)滿足安全生產(chǎn)所需的風量大小對應的變頻器輸入電壓 值，經(jīng)擴展模塊模擬量輸出控制變頻器自動調(diào)整風機的轉(zhuǎn)速。 3 本系統(tǒng)能實現(xiàn)多種報警功能，如風機定子，軸承溫度超限，電動機振動異常報警，以及變頻器出現(xiàn)故障及時報警，及時處理的功能。 4 用工程制圖軟件繪制系統(tǒng)主電路圖和 PLC 及擴展模塊接線圖。 5 用 STEP7Micro/WIN 編程軟件編出 PLC 梯形圖。 6 用 PROFIBUSDP 現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)完成對 PLC 通信網(wǎng)絡的組建。 7 模擬風機運行情況，用組態(tài)王軟件繪制煤礦主通風機在線監(jiān)測系統(tǒng)主界面和 PLC 控制變頻器調(diào)速系統(tǒng)主界面。并生成性能參數(shù)實時曲線和歷史趨勢 曲線，監(jiān)測數(shù)據(jù)歸檔、數(shù)據(jù)報表查詢及打印，以及 14 瓦斯?jié)舛?、風量、風壓等監(jiān)控量的趨勢曲線、超限報警和數(shù)據(jù)報表功能。 15 2 通風系統(tǒng)及主扇風機控制方案 本論文設計的礦井主扇風機的控制主要是對風壓、風量及瓦斯?jié)舛鹊牡恼{(diào)節(jié)和控制兩部分。 風機風量的調(diào)節(jié)中引入變頻器對風機風速的調(diào)節(jié)，據(jù)所需風量和風壓大小通過變頻器來調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速在節(jié)能和提高風機效率方面具有無與倫比的優(yōu)點。 本控制系統(tǒng)具有 離心 通風機組的啟動、互鎖和過熱保護等功能。與常規(guī)繼電器實施的通風系統(tǒng)相比， PLC 系統(tǒng)具有故障率低 、 可靠 性高 、 接線簡單、維護方便等諸多優(yōu)點 ， PLC 的控制功能使通風系統(tǒng)的自動化程度大大提高 ， 減輕了崗位人員的勞動強度。 PLC 和變頻器與空氣壓力變送器配合使用 ， 使系統(tǒng)控制的安全性 、 可靠性大大提高，也使通風機運行的故障率大大降低，不僅節(jié)約了電能，而且還提高了設備的運轉(zhuǎn)率。為滿足礦井通風系統(tǒng)自動控制的要求 ， 系統(tǒng)的具體設計要求如下 ： （ 1）本系統(tǒng)提供手動／自動兩種工作模式 ， 具有狀態(tài)顯示以及故障報警等功能。 （ 2）模擬量壓力輸入經(jīng) PID 運算，輸出模擬量控制變頻器。 （ 3）在自動方式下 ， 當井下壓力低于設定壓力下限時 ， 兩組風機將 同時投入工作運行，同時并發(fā)出指示和報警信號。 （ 4）模擬量瓦斯輸入 ， 當?shù)V井瓦斯?jié)舛却笥谠O定報警上限時 ， 發(fā)出指示和報警。當瓦斯?jié)舛却笥谠O定斷電上限時 ， PLC 將切斷工作面和風機組電源 ， 防止瓦斯爆炸。 （ 5）運用溫度傳感器測定風機組定子溫度或軸承溫度，當定子溫度或軸承溫度超過設定報警上線時，發(fā)出指示和報警信號。當定子溫度或軸承溫度超過設定風機組轉(zhuǎn)換溫度界線時， PLC 將切斷指示和報警信號并自動切斷當前運行風機組，在自動方式下并能自動接入另一臺風機組運行 ， 若在手動方式下 ， 工作人員手動切換。 （ 6）為防止 離心 風機的疲勞 運行，在任何狀態(tài)下，風機在累計運行設定時間后都會自動切換至另一臺風機組運行。 下圖是通風系統(tǒng)原理框圖。 圖 通風系統(tǒng)原理框圖 通風系統(tǒng)的設計方案 16 本 通風控制系統(tǒng)主要由 2 臺離心風機組成 ， 每臺離心風機有兩臺電機 ， 每臺電機驅(qū)動一組扇片 ，兩組扇片是對旋的 ， 一組用于吸風 ， 一組為增加風速 ， 對井下進行供風 。 根據(jù)井下用風量的不同 ， 采用不同型號的風機 。 本設計以風機 2 45 kW 為例 ， 選用一臺 S7— 200 PLC、空氣壓力傳感器和變頻器等組成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中還包括接觸器、中間繼電器、熱繼電器 、礦用防爆型磁力啟動器、斷路器等系統(tǒng)保護電器 ， 實現(xiàn)對電機和 PLC 的有效保護 ， 以及對電機的切換控制 。 本 PLC 控制系統(tǒng)具有對通風機的電動機啟動與運行 ， 進行監(jiān)控、聯(lián)鎖和過熱保護等功能 。 PLC 與空氣壓力變送器配合使用 ， 使系統(tǒng)控制的安全性 、 可靠性大大提高 ， 也使通風機運行的故障率大大降低 ，提高了設備的運轉(zhuǎn)率。 為滿足煤礦礦井通風系統(tǒng)自動控制的要求 ， 設計如下的控制方案 ： 本系統(tǒng)提供手動 /自動兩種工作模式 ， 具有現(xiàn)場控制方式 、 狀態(tài)顯示以及故障報警等功能。 在手動方式下 ， 通風機通過開關進行控制 ， 不受礦井內(nèi)氣壓的影響 。 為防止 通風機疲勞運行 ， 在任何狀態(tài)下風機在累計運行設定時間后要切換至另一臺風機運行。 A 組離心通風機與 B 組離心通風機可由二位開關轉(zhuǎn)換。循環(huán)次