煤矿井下局部通风机双电源双变频调速方案设计.pdf

２ ０ ２ ０年第０ １期 煤矿井下局部通风机双电源双变频调速方案设计 路鹏飞 山西焦煤西山煤电集团有限责任公司东曲煤矿, 山西 古交０ ３ ０ ２ ０ ０ 摘 要 针对煤矿井下局部通风机运行效率低下、 故障率较高的问题, 提出基于P L C的井下局部通风机双电源双变频调 速方案.在分析该调速方案工作原理的基础上, 给出系统硬件选型设计, 以及该调速系统的软件控制流程, 最 后给出该调速系统的HM I人机界面, 为煤矿井下局部通风系统的自动化、 智能化提供一个可行的解决方案. 关键词 局部通风机; 双电源; 双变频; 调速;P L C;HM I 中图分类号 T D ６ ３ ５ D O I １ ０．１ ９ ７ ６ ９/ j ． z d h y ．２ ０ ２ ０．０ １．０ ３ ４ ０引言 通风机是煤矿井下的必备设备, 其作用是将井下的 瓦斯、 二氧化碳等有毒有害气体排出, 将新鲜的空气送入 煤矿井下, 以保证井下工作面以及工作人员的人身安全. 东曲煤矿传统开掘巷道局部通风机控制为风机四组合开 关, 局部通风机功率通常是按照巷道最远距离进行选型. 通风机工作时, 必须长时间稳定、 安全运行, 在开掘巷道 初期局部通风机的功率过大, 导致不必要的功率和电能 浪费[ １ Ｇ ２].国内外学者针对井下通风机的运行特点, 展开 一系列的研究, 将变频控制技术、 智能控制技术以及传感 器技术应用于通风机的控制系统, 在保证通风机稳定运 行的前提下, 其电动机转速能够按照井下瓦斯等有毒有 害气体的浓度变化动态调整[ ３ Ｇ ４].为避免“ 一风吹” 的现 象发生, 设计并实现局部通风机双电源双变频调速方案, 根据工作面瓦斯浓度对风机进行变频调速, 有效地改善 掘进工作面工作环境, 优化通风系统, 提高矿井通风安 全, 并具有良好的节能效果. １方案设计 １．１工作原理 局部通风机双电源双变频调速工作原理如图１所 示.供电电源为电源１以及电源２, 可以自由切换.虚线 框内为由变频器与P L C控制器组成的局部通风电动机 变频调速系统.在该系统中, 由隔离开关、 接触器、 整流 器、 滤波电路、 逆变器构成变频控制强电回路, 控制系统 为由P L C控制器以及扩展模块组成的变频调速系统核 心单元.将双变频调速系统分为左机以及右机两部分, 左右机的构成完成相同, 互为备份; 电源１以及电源２完 全相同, 互为备份.在该方案中, 安装有T １、T ２以及T ３ 三个瓦斯传感器, 实时监测瓦斯浓度, 其中T １用于测量掘 进面迎头瓦斯浓度,T ２用于测量掘进巷道回风流瓦斯浓 度,T ３用于测量回风巷混合处瓦斯浓度.在左右机控制 系统中不仅包括本机变频器、 电动机以及P L C控制器的运 行状态、 故障信息、 电源状态以及切换信号, 还包括对应机 的上述全部信息, 实现信息数据的左右机控制器共享. 图１ 局部通风机双电源双变频调速工作原理 ５８ 工矿自动化 自动化应用 收稿日期 ２ ０ １ ９ Ｇ １ ２ Ｇ ０ ３ 作者简介 路鹏飞 １ ９ ９ ２ , 男, 山西岚县人, 本科, 毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业, 助理工程师, 从事综采工作 面供电设计工作. ２ ０ ２ ０年第０ １期 局部通风双电源双变频调速系统设计有“ 手动” 和 “ 自动” 两种操作模式.在“ 手动” 模式下, 左右机只能单 独工作, 为互斥关系.在“ 自动” 模式下, 左右机可以实现 工作状态的互换, 即当处于运行状态的单系统发生故障、 掉电或者停机时, 可以自动切换至另一设备继续工作, 保 证通风系统持续、 稳定运行, 不间断地供风. “ 手动” 模式时,P L C控制器对变频器的频率给定流 程见图２所示, 其分为电位器给定、 恒速１/２/３四个档 位, 操作人员根据当前瓦斯浓度状态, 手动调节通风电动 机的给定频率, 进而控制电动机转速进行通风作业; “ 自 动” 模式时,P L C控制器根据当前实时瓦斯浓度, 动态调 整变频器的输出频率, 进行排风作业.在“ 自动” 模式下, 不需要人工经验判断通风电动机转速, 由安装的T １/T ２/ T ３瓦斯传感器测得的实时瓦斯数据, 经P L C控制器逻 辑判断后, 动态调整变频器的运行频率, 杜绝“ 一风吹” 的 现象, 达到节能降耗的目的. 图２ 变频器频率给定流程 １．２硬件设计 变频器选用日立的S J ７ ０ ０系列变频器, 该变频器可 实现０． ３H z时２ ０ ０％以上的高启动转矩, 保证井下通风 系统极端情况时的正常启动; 具有过电流、 过电压保护功 能, 并且可根据负载大小自动调整加减速时间, 保证井下 通风系统的安全性; 可编写并实现内置顺序控制功能; 设 备使用 寿 命 较 长, 并 具 备 寿 命 诊 断 功 能, 可 提 示 预 警 信息[ ５]. P L C控制器选用西门子３ ０ ０系列控制器, 该控制器 编程能力较强, 可组建较大的工业网络, 并且适合在煤矿 井下的恶劣环境中运行[ ６]. 电动机为定做的交流变频电动机. １．３软件设计 井下局部通风机双电源双变频调速方案的软件控制 流程见图３所示.系统初始化工作完成后, 首先判断工 作模式, 选择“ 手动” 模式时, 可根据人工控制流程, 手动 控制风门、 通风电动机的运行频率, 还包括其他附属设备 的启动/停止等.“ 手动” 模式下, 可选择设备电动机在电 位计、 恒速１/２/３四种转速下运行.选择“ 自动模式” 后, 还必须选择启动左机或者启动右机.对应电动机以及 P L C控制系统启动后, 获取T １/T ２/T ３瓦斯传感器数据, 通过该数据, P L C控制器可动态调整电动机的运行频率, 保证煤矿井下的瓦斯浓度在安全范围之内. 图３ 局部通风机双电源双变频调速方案软件流程 局部通风机双电源双变频调速系统运行于“ 手动/自 动” 模式时, 都需要将系统的运行数据上传至上位机并进 行显示.变频调速系统与上位机以M o d b u sR TU通信模 式进行数据交互. ２HM I人机界面 为保证设计的局部通风机调速系统运行的可视性以 及可维护性, 增加HM I人机界面.HM I人机界面硬件 选用西门子７ ０ ０系列显示设备.调速控制系统与HM I 人机界面按照M o d b u sR TU模式进行数据交互.设计并 完成的HM I人机界面如图４所示, 实时、 动态显示掘进 面、 掘进巷以及回风巷的瓦斯浓度; 在该HM I人机界面 中, 可以设定切换模式、 电源信号以及自动排放瓦斯频 率、 自动通风时间以及通风电动机的启动、 停止时间、 电 动机的额定参数等; 同时, 可以在线监控该局部通风机运 行时的母线电压、 电流、 电源电压、 给定频率、 输出频率、 运行状态以及瓦斯输出风电输出等信息, 方便技术人员 和操作人员及时掌握该局部通风机的状态. 图４ 局部通风机双电源双变频调速方案H M I人机界面 ６８ 自动化应用 工矿自动化 ２ ０ ２ ０年第０ １期 ３结语 采用双电源双变频调速方案的煤矿井下通风系统, 能够保证掘进工作面瓦斯浓度控制在安全范围之内, 保 证掘进工作面通风安全; 可根据实时测量的瓦斯浓度, 动 态调整通风电动机的运行频率, 实现电动机按需运行, 达 到节能降耗的目的; 同时, 改善了掘进工作面的劳动环 境, 避免风速过大导致的煤尘飞扬. 参考文献 [ １]王刚, 卫华军．局部通风机用双电源双变频调速器应用研 究[ J]．煤矿现代化,２ ０ １ ７６ １ ３ ２ Ｇ １ ３ ５． [ ２]陈青松．高瓦斯矿井局部通风双电源双回路的实现[J]． 煤, ２ ０ １ ７,２ ６８ １ ４ １ Ｇ １ ４ ２． [ ３]任子晖, 姚正华, 岳明道, 等．基于P L C和组态软件的矿井 主扇风机监控系统[ J]．自动化技术与应用,２ ０ ０ ７,２ ６９ ７ ７ Ｇ ７ ８． [ ４]孙传余, 肖林京, 梁慧斌, 等．煤矿风机变频调速与远程数 据监控系统的研究与设计[ J]．煤炭工程,２ ０ ０ ９１ ２ １ ６ Ｇ １ ８． [ ５]张洋, 孙一奇．基于现场总线的多巷局部通风机监测监控 系统的研究[ J]．电气技术,２ ０ ０ ７６ ５ １ Ｇ ５ ４． [ ６]王淑芳, 王剑波, 张丽, 等．局部通风机调速控制系统的研 究[ J]．煤炭学报,２ ０ ０ ６,３ １６ ８ １ ３ Ｇ ８ １ ８． 上接第８ ２页 １ 增加垂球质量.测量过程中使用到的仪器、 棱镜 采用质量为５ ０ ０g的垂球. ２ 挡风.在测量时采用挡风风帘, 从而提高棱镜、 测量仪器对中精度. ３ 在对仪器、 棱镜高程测量时统一测量位置, 高程 测量采用可以伸缩的测量杆, 从而克服卷尺竖不直问题, 提高测量精度. ３巷道贯通测量后精度分析 下组煤轨道巷掘进贯通后进行现场测量, 贯通点中 线、 腰线间差在０． ０ ４ ７m、０．０ ４ ５m, 偏差远小于允许偏差 ０．２m .巷道贯通后的导线精度评定结果具体为 􀰑S＝２５ ５ ２． ８,n＝３ ４ fβ＝－００ ０′３ ２″＜fβ允＝１ ４″ n＝８ １″ fh＝０．０ ４ ５m＜fh允＝１ ０ ０L＝０．１ ６m 其中fβ、fβ允分别表示测量闭合导线角度闭合差、 允 许角度闭合差; fh、fh允分别表示测量闭合差、 运行闭合 差; L表示测量导线总长. 测量得到的各项测量指标均满足 煤矿测量规程 相 关规定要求, 测量精度符合矿井７ ″导线精度要求. ４影响大断面巷道贯通测量精度因素分析 经过矿井测量人员努力, 管理部门大力支持, 完成了 下组煤轨道巷贯通测量工作, 结果满足巷道使用需要. 在贯通测量过程中克服了大断面巷道测量存在测量仪器 对中困难、 测量环境湿度高、 围岩破碎测量点难以保全、 棱镜及仪器高丈量困难等问题.贯通测量工作高效、 高 质量完成主要取决于下述几点 １ 通过采用自制可以伸缩丈量杆实现了仪器、 棱镜 高度的精准测量.由于轨道巷设计断面大, 部分区域毛 高度达到５m, 采用传统的卷尺测量仪器、 棱镜高度存在 测量误差大问题, 自制的伸缩丈量杆克服了卷尺高度测 量不平直问题, 提高了测量精度. ２ 巷道掘进平时测量放线前后两次对仪器高度进 行测量, 取测量结果平均值, 保证了测量准确性. ３ 在轨道巷贯通前对导线测进行重复测量, 将测量 数据与两个施工迎头数据进行对比, 根据测量结果对掘 进工作进行及时修正, 保证了贯通测量精度. ４ 对巷道中线、 腰线进行测量放线时, 及时跟现场 工作人员进行信息沟通, 从而及时发现并处理问题.在 整个大断面巷道贯通测量中, 测量人员严格按照测量规 定及测量方案进行测量, 并对测量结果进行比对分析, 这 些工作都是确保本次大断面巷道一次成巷贯通测量工作 高质量完成的重要方面. 参考文献 [ １]陈洋洋．提 升煤 矿 井 下 巷 道 贯 通 测 量 精 度 的 实 践 分 析 [ J]．河南建材,２ ０ ２ ０１ ３ ４ Ｇ ３ ５． [ ２]韩祖炎．全站仪及贯通误差预计在矿山测量中的应用研究 [ J]．工程技术研究,２ ０ １ ９,４２ ２ １ ３ ５ Ｇ １ ３ ６． [ ３]贾小玲．煤矿井下巷道贯通测量技术及其精度控制[J]．煤 炭科技, ２ ０ １ ９,４ ０４ ７ ５ Ｇ ７ ７． [ ４]李亮．大型矿井巷道贯通测量方法与误差分析[J]．山东煤 炭科技, ２ ０ １ ９６ １ ８ ９ Ｇ １ ９ １． [ ５]解希臣, 朱海涛, 尹玉成．大断面一次成巷贯通测量技术研 究与实践[ J]．山东煤炭科技,２ ０ １ ９５ １ ８ １ Ｇ １ ８ ２,１ ８ ８． [ ６]邵冬冬．巷道贯通测量方案设计及精度控制[J]．陕西煤 炭, ２ ０ １ ９,３ ８３ １ ４ ４ Ｇ １ ４ ６． ７８ 工矿自动化 自动化应用