礦井主通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控方案設(shè)計(jì)分析

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摘要：礦井通風(fēng)機(jī)能及時(shí)向井下輸送新鮮空氣，在礦井內(nèi)飄浮著煤炭粉塵顆粒的環(huán)境下能夠確保一線作業(yè)人員的職業(yè)健康安全。煤礦通風(fēng)設(shè)備是一個完整配套的系統(tǒng)，其中主通風(fēng)機(jī)承擔(dān)著開采工作面通風(fēng)量的重要保障任務(wù)。通過現(xiàn)場調(diào)研分析，目前的主通風(fēng)機(jī)對于風(fēng)速及風(fēng)量的調(diào)節(jié)存在滯后，缺乏智能化調(diào)節(jié)機(jī)制，不能隨著環(huán)境的變化對通風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整，造成能源浪費(fèi)，威脅作業(yè)人員生命安全，降低了開采工作效率。通過對主通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，為研發(fā)礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大型礦井；主通風(fēng)機(jī)；風(fēng)量調(diào)整；系統(tǒng)方案；智能監(jiān)控

引言

隨著現(xiàn)代化煤炭企業(yè)的快速發(fā)展，各種采煤設(shè)備越來越智能化，極大地提升了煤炭的開采效率和開采量。隨著煤炭開采量的增多，礦井內(nèi)飄浮的煤炭粉塵顆粒的濃度也越來越高。因此，對于礦井通風(fēng)設(shè)備的工作性能要求也會相應(yīng)提高。通風(fēng)設(shè)備是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其中起關(guān)鍵作用的是主通風(fēng)機(jī)。主通風(fēng)機(jī)通過運(yùn)轉(zhuǎn)帶動其他次要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合對礦井進(jìn)行輸送新鮮空氣［1］。礦井內(nèi)有毒有害氣體也較多，需要通過主通風(fēng)機(jī)驅(qū)散有毒有害氣體和煤炭粉塵，使一線作業(yè)人員能夠在安全的工作環(huán)境下進(jìn)行煤炭開采作業(yè)，并且能夠避免有毒有害氣體和粉塵對開采機(jī)械設(shè)備造成的損壞。根據(jù)礦井內(nèi)空氣流動方向的不同，通風(fēng)機(jī)可分為離心式通風(fēng)機(jī)、軸流式通風(fēng)機(jī)、斜流式通風(fēng)機(jī)以及橫流式通風(fēng)機(jī)四類。其中軸流式通風(fēng)機(jī)是礦井常用的通風(fēng)設(shè)備［2］。根據(jù)現(xiàn)場檢查可知，目前大型礦井所采用的主通風(fēng)機(jī)是定額送風(fēng)，不能根據(jù)環(huán)境的變化調(diào)整送風(fēng)量，容易造成能源浪費(fèi)，降低主通風(fēng)機(jī)的工作效率。為了保證大礦井安全生產(chǎn)的正?；?，有必要開發(fā)主通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)并對其進(jìn)行智能控制，這對于煤礦智能設(shè)備的研發(fā)具有重要意義［3］。

1主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析與建模

1．1風(fēng)量調(diào)節(jié)方式

某煤礦安裝了兩臺ANN－4700／2500N型軸流式風(fēng)機(jī)，將其作為主通風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行井下的通風(fēng)作業(yè)，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。軸流式通風(fēng)機(jī)主要通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)將空氣由進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)向葉片，采用葉片逆向旋轉(zhuǎn)的方式，將氣流沿軸向進(jìn)行運(yùn)動，將流入的氣流輸入至擴(kuò)壓器實(shí)現(xiàn)礦井的通風(fēng)作業(yè)。軸流式通風(fēng)機(jī)主要由電機(jī)、葉輪、主副風(fēng)門等組成［4］。為了使主通風(fēng)機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，可以通過節(jié)流閥的開閉角度進(jìn)行風(fēng)量的控制。由于節(jié)流閥在對氣流進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程中會改變空氣的風(fēng)阻特性，從而造成驅(qū)動主通風(fēng)機(jī)的電機(jī)消耗能量的增加。為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，可以加裝變頻器，變頻器可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器兩類［5］。前者的輸出功率較低，而后者常用于在工業(yè)中對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，因此選用交—直—交變頻器實(shí)現(xiàn)對節(jié)流閥電流信號的控制，交—直—交變頻器主要由整流電路、濾波電路及逆變電路組成，具體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1．2變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量分析

變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量主要與電機(jī)的轉(zhuǎn)速、同步轉(zhuǎn)差率、電機(jī)頻率以及電機(jī)極對數(shù)有關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，要保證變頻器對電流電壓的控制，需要保證電機(jī)極對數(shù)和同步轉(zhuǎn)差率的數(shù)值大小不變，從而改變驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對礦井內(nèi)通風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)。因此，對于大型煤炭礦井的綠色節(jié)能生產(chǎn)方面來說，通過變頻調(diào)速法能夠精確地實(shí)現(xiàn)對風(fēng)量的調(diào)整，交—直—交變頻器的應(yīng)用可以減小電機(jī)啟動時(shí)的沖擊電流，在調(diào)節(jié)通風(fēng)量的同時(shí)也對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

2主通風(fēng)機(jī)機(jī)械故障機(jī)理

在設(shè)計(jì)主通風(fēng)機(jī)智能系統(tǒng)的時(shí)候應(yīng)將主通風(fēng)機(jī)的故障情況考慮在內(nèi)，在設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)方案的時(shí)候就能更加綜合全面地考慮各方面不確定性因素，包括主通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生故障的機(jī)理。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，主通風(fēng)機(jī)的構(gòu)造形式有很多種，包括轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子不平衡以及軸承故障等。因此，應(yīng)設(shè)計(jì)完整的智能系統(tǒng)方案對各種設(shè)備進(jìn)行識別，當(dāng)通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)機(jī)械故障的時(shí)候會產(chǎn)生非平穩(wěn)震蕩信號，并伴有高階次諧波曲線產(chǎn)生。通常在信號識別中將轉(zhuǎn)子不平衡的特征頻率設(shè)置為1f，伴生頻率為2f、3f，轉(zhuǎn)子不對中的故障類型為2f，伴生頻率為1f。因此，大型礦井通風(fēng)機(jī)智能系統(tǒng)對于故障信號特征值的精確識別也將是檢測主通風(fēng)機(jī)智能故障判別的有效手段［6］。

3主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)及結(jié)構(gòu)

3．1監(jiān)測參數(shù)

3．1．1風(fēng)量的測量為保證礦井主通風(fēng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行，須對風(fēng)量、電機(jī)溫度、電參數(shù)以及振動信號等參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，首先對風(fēng)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和監(jiān)測。采用正負(fù)壓相結(jié)合的專業(yè)檢測裝置對風(fēng)量進(jìn)行測量，具體測量原理如圖3所示，負(fù)壓數(shù)值等于P2＋與P2－的差值。

3．1．2電參數(shù)的測量對于電參數(shù)的測量，主要包括電阻、電壓和電流。電參數(shù)體現(xiàn)的是主通風(fēng)機(jī)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后影響系統(tǒng)電壓、電流的變化而產(chǎn)生電參數(shù)數(shù)值。測量電參數(shù)的常用方法為通過電壓和電流互感器輸入電參數(shù)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過功率變送器的信號處理后將電參數(shù)信號進(jìn)行主通風(fēng)機(jī)電參數(shù)的數(shù)據(jù)提取。

3．1．3溫度的測量由于地層以下的濕度溫度都相比于地上更為異常，對于主通風(fēng)機(jī)的溫度參數(shù)測量是一項(xiàng)需要精確性的工作，如果溫度不正常就意味著主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行不暢。由于主通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動軸承在高速旋轉(zhuǎn)后會產(chǎn)生很高的溫度，長時(shí)間的高溫會影響其他零部件的使用壽命，加快絕緣材料的老化速度，甚至?xí)l(fā)燃燒等安全事故。因此，根據(jù)主通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動模式確定應(yīng)在軸承以及三相定子附近對其溫度進(jìn)行監(jiān)測。對于溫度測量所采用的傳感器為PT100型，通過溫度巡檢儀的數(shù)據(jù)輸送通道和上位機(jī)軟件計(jì)算處理后與RS232后端信息輸出模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采用可視化狀態(tài)顯示數(shù)溫度數(shù)值的變化情況。

3．1．4振動信號的測量對于主通風(fēng)機(jī)機(jī)械故障的判定可以通過軸承轉(zhuǎn)動后的振動情況進(jìn)行判斷。如圖4所示，應(yīng)在主通風(fēng)機(jī)驅(qū)動端以及軸承座處進(jìn)行傳感器布置，在圖中1、2、3、4處安裝主通風(fēng)機(jī)的振動信號檢測裝置。

3．2主通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為保證主通風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候整個系統(tǒng)前端和后端能夠進(jìn)行高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸，將采用集散控制系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合的方式組成主通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。將集散控制系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)作為主線將遠(yuǎn)程控制層、集中控制層以及現(xiàn)場設(shè)備層進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信息的交互過程。主通風(fēng)機(jī)的智能監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心為集中控制層，通過傳輸命令可以實(shí)現(xiàn)對主通風(fēng)機(jī)軸承轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、振動情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析監(jiān)測，此外，還將根據(jù)數(shù)據(jù)信號的變化對主通風(fēng)機(jī)機(jī)械故障所產(chǎn)生的信號曲線進(jìn)行判定?，F(xiàn)場設(shè)備層主要由主通風(fēng)機(jī)、風(fēng)門電機(jī)以及各類傳感器構(gòu)成。主通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4結(jié)語

通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備作為礦井井下的關(guān)鍵設(shè)備是保障一線作業(yè)人員生命安全以及確保煤礦開采生產(chǎn)效率高效的重要設(shè)備。目前大型礦井的通風(fēng)設(shè)備選型沒有科學(xué)性進(jìn)行判定，通風(fēng)設(shè)備應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的變化對風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，可以提高通風(fēng)效率并且避免能源的浪費(fèi)。通過對主通風(fēng)機(jī)工作機(jī)制的研究，設(shè)計(jì)出智能監(jiān)測系統(tǒng)的方案，為研發(fā)主通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)的硬件開發(fā)提供了思路。

參考文獻(xiàn)

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作者：李濤 單位：山西潞安集團(tuán)潞寧忻峪煤業(yè)