引言
煤礦生產(chǎn)中，安全是第一要務，而煤礦巷道通風系統(tǒng)則在很大程度上保障著煤礦生產(chǎn)安全。在巷道通風系統(tǒng)中，主通風機是關(guān)鍵設(shè)備，但由于功率較大且持續(xù)運轉(zhuǎn)，耗電量極大，據(jù)統(tǒng)計：主通風機耗電量約為煤礦耗電總量的15%～30%，因此對煤礦巷道通風系統(tǒng)加以改造也是現(xiàn)階段落實節(jié)能降耗理念的必然要求。當前，新的交流變頻調(diào)速通風機電控系統(tǒng)具有極為靈活的調(diào)解方式，且具有較高的可靠性，節(jié)能效果極為明顯，因而成為礦井通風機控制系統(tǒng)的首選設(shè)計方案。
1、應用變頻技術(shù)應考慮的問題
1)性能安全可靠。利用通風機電器數(shù)值選擇相應的曲線進行加速，以便于實現(xiàn)最佳的軟啟動效果。應充分考慮煤礦巷道所需風量以及風壓情況，調(diào)節(jié)風機葉片位置，并根據(jù)通風機曲線特征表現(xiàn)來確定合理的轉(zhuǎn)動速度以及工況點，從而確定變頻器使用速率。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，煤礦生產(chǎn)企業(yè)每年都要組織井下反風演練，確保通風機在煤礦發(fā)生災害事故的狀況下可及時采取反風操作，從而確保煤礦井下具有足夠的反風量。應對變頻器內(nèi)部銅條、基板分別采取鍍鎳處理和三防涂層處理，強化變頻器對于外部環(huán)境的適應性，從而在煤礦工作環(huán)境下更好地發(fā)揮功能，且不受外部因素影響。一般來說，變頻設(shè)備在電壓波動情況下依然能夠正常工作，且在電網(wǎng)電壓降低至一定程度時仍然可以繼續(xù)工作，因變頻設(shè)備適應性較強，一旦電網(wǎng)發(fā)生單相事故(高壓電網(wǎng)接地以及迅速閃絡(luò)等)，變頻裝置依然可維持工作狀態(tài)，而非立刻停止運行，通風機也由此而處于運行工作狀態(tài)。
2)能源節(jié)約。煤礦通風機控制系統(tǒng)設(shè)備中，變頻控制系統(tǒng)具有較高的性價比。由于諧波高次成分的存在，電動機因異步電子流所受損害也隨之加大，電動機功率效率因素出現(xiàn)不同程度差異，因此選擇變頻器成為其中的關(guān)鍵。一般情況下以低諧波高次分量比產(chǎn)品為首選。在選擇電動機時應以低能量損耗以及高效率的產(chǎn)品為主。盡量保護鐵芯不受損害。變頻設(shè)備應選擇直供式設(shè)備，并且應與供電電壓一致，且不需中間變壓環(huán)節(jié)，有效控制電網(wǎng)污染問題，也有利于抑制高次諧波，從而使電壓表現(xiàn)出強大兼容性特征，同時又不會干擾其他設(shè)施，且具有高功率因數(shù)。
2、變頻調(diào)速總體設(shè)計方案
總體設(shè)計方案如下：在系統(tǒng)構(gòu)成中，從站通過FX2NPLC控制變頻器、除塵系統(tǒng)以及管道分流系統(tǒng)，而風機則在變頻器驅(qū)動下運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)主站，即QPLC經(jīng)由CC-Link現(xiàn)場總線控制從站，同時經(jīng)CC-Link對變頻器、除塵系統(tǒng)以及管道分流系統(tǒng)展開榮譽控制，以免FX2NPLC從站發(fā)生故障而導致整個通風系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。該系統(tǒng)設(shè)計方案具有較強的可視化管理特點，通過中央監(jiān)控中心即可在組態(tài)技術(shù)支持下遠程監(jiān)控系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀況。
1)變頻器聯(lián)合FX2NPLC控制系統(tǒng)。在風機變頻調(diào)速總體設(shè)計方案中，系統(tǒng)關(guān)鍵部分即為變頻器+FX2NPLC控制系統(tǒng)，風機受到FX2NPLC控制并在變頻器作用下實現(xiàn)變頻調(diào)速，進而達到節(jié)能目的。系統(tǒng)通過閉環(huán)控制方法對風機轉(zhuǎn)速進行控制和調(diào)整。風機出風口區(qū)域配置壓力傳感器以及風速傳感器，系統(tǒng)能夠分析風速傳感器以及壓力傳感器輸出信號，對巷道通風情況作出準確判斷。倘若風速與風壓難以滿足巷道通風要求，系統(tǒng)則會發(fā)布指令對風機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，從而確保巷道通風要求，保障煤礦安全生產(chǎn)順利進行，見圖2。煤礦通風機系統(tǒng)并未對風速作出過于嚴格的要求，因此風速合格范圍數(shù)值較為寬泛，頻繁調(diào)節(jié)風速并無必要。在本系統(tǒng)中，應通過三段速模式來調(diào)整、控制風機速度，如果巷道風速不符合煤礦安全生產(chǎn)需求，系統(tǒng)則通過PID算法對變頻器運行頻率加以自動、適當?shù)恼{(diào)節(jié)，提高風速直至安全生產(chǎn)要求。
2)管道分流。煤礦井作業(yè)過程中往往伴有大量有害氣體，直接釋放，排至大氣中則會導致嚴重污染問題。按照設(shè)想，對于超標有害氣體應通過敷設(shè)管道等方法對風機所排廢氣導送至特制管道，并采取燃燒處理。但就本次設(shè)計而言，我們僅選擇以管道分流的方式處理風機排出氣體，對于燃燒系統(tǒng)設(shè)計不作深入討論。
3)除塵裝置。煤礦生產(chǎn)具有較大特殊性，其中通風機中排出大量粉塵與氣體混合，倘若不及時處理粉塵問題，則會造成嚴重的大氣污染問題。所以在設(shè)計該系統(tǒng)時應著重于除塵環(huán)節(jié)，通過有害氣體檢測實驗對風機排出氣體進行評估和檢驗，對于尚未超標的有害氣體可引入除塵裝置。除塵裝置設(shè)計如下圖3：以濕式振弦除塵器為主，取顆粒傳感器設(shè)置裝置入口區(qū)域，檢測氣體中混雜的粉塵含量，并計算除塵裝置噴水量，對噴水量予以靈活調(diào)節(jié)，以有效除塵。
4)從站人機交流。本系統(tǒng)中FX2NPLC從站配置均有觸摸屏，為人機交流創(chuàng)造了便捷的溝通橋梁。操作者可利用人機界面啟動通風系統(tǒng)，或予以中止，并且能夠?qū)ψ冾l器電流、輸出電壓、巷道空氣狀況、輸出電壓以及電機轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)予以實時監(jiān)測。
5)組態(tài)監(jiān)控技術(shù)。所謂組態(tài)監(jiān)控，即利用組態(tài)軟件操作QPLC主站內(nèi)部資源，對現(xiàn)場風機運行狀況進行遠程實時監(jiān)控，同時還可實現(xiàn)變頻器參數(shù)的遠程更改與設(shè)置。除此之外，為系統(tǒng)模型提供一種模擬實際的信號給定是設(shè)計中組態(tài)的另一項重要功能。
6)主站QPLC。在整個控制系統(tǒng)中，主站QPLC是核心所在，整體功能包括如下兩點：
第一，從站FX2NPLC冗余。一旦從站控制系統(tǒng)中FX2NPLC受到意外因素干擾影響而停止工作，那么主站QOLC可利用CC-Link現(xiàn)場總線遠程控制通風機系統(tǒng)，以免煤礦井下通風中斷。
第二，采集信息。在CC-Link的支持下，主站QPLC能夠?qū)崟r讀取變頻器頻率、輸出電壓以及電流等指標參數(shù)，并顯示在組態(tài)界面上。所得數(shù)據(jù)也可經(jīng)由CC-Link發(fā)送至從站FX2NPLC，操作者通過觸摸屏可接收到顯示的數(shù)據(jù)信息。
7)報警電路。本系統(tǒng)中報警方式分為兩種：1)報警指示燈會在變頻器工作狀態(tài)異常的情況下處于持續(xù)點亮狀態(tài)，并發(fā)出報警聲音，而通風機在此種情況下已停止運轉(zhuǎn)，巷道處于危險狀態(tài)。2)報警電路會在從站不工作的狀態(tài)下發(fā)出聲光報警，QPLC主站控制報警電路，而報警信號則以聲光閃爍報警為主。
3、結(jié)語
在當前國內(nèi)煤礦通風機控制系統(tǒng)中，變頻技術(shù)的應用尚不夠深入，而在行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的推動下，變頻技術(shù)在環(huán)保節(jié)能、自動化生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著極為重要的作用。在科學技術(shù)的快速發(fā)展下，變頻技術(shù)在煤礦通風機控制系統(tǒng)中將會得到更為廣泛的應用。
