矿井局部（共5篇）
矿井局部 篇1
0 引言
近几年, 出现多起因矿井瓦斯含量超标而发生矿井爆炸的安全事故造成很大的人员损失与经济损失。在这些安全事故中多是因矿井通风系统出现故障造成的。因此及时发现、排除通风系统故障, 对矿井安全有效地运行有着重要作用。
1 基本故障诊断原则
方便、快捷的故障诊断方法对及时处理通风系统故障有着良好辅助作用。在局部通风系统的故障诊断中, 通常将粗糙收集理论与遗传学算法相结合, 建立基本故障诊断规则, 利用基本诊断原则指导故障处理人员快速找到故障原因, 完成故障诊断任务。其处理过程为: (1) 收集通风故障设备以往故障历史、故障处理等信息, 并对信息进行整理分析, 建立通风系统故障体系树, 按照历史故障信息标出时常出现通风故障的部分以及制定优先故障检查表, 减小故障诊断范围, 提高诊断效率。 (2) 通过标注的重点故障点, 对故障原因与故障发生前的征兆、现象进行整理、归纳, 通过将相同故障征兆与现象分类, 建立故障对比系统。方便故障发生后维修人员能够拥有参考依据, 根据故障现象快速查找故障点。 (3) 使用粗糙数据收集理论与遗传算法对故障对比系统中的数据进行分析, 从中提取关键的故障现象信息与故障诊断规则。 (4) 基于故障对比系统建立专业的矿井局部通风系统故障诊断系统, 为故障诊断提供数据参考。
1.1 建立系统故障树形图
图1中, d1~d6分别代表:低压开关、低压电缆、风机、漏电保护装置、风扇及其他低压电气设备引起的通风故障;t1~t2分别代表:人为关闭局部通风装置、不知原因停止、运输、矿井所有通风设备停止等四个主要故障;e1~e4分别代表:变压器、高压开关、高压电缆与接头以及其他高压方面引起的通风故障;F1~F3分别代表因通风管道脱节、通风管道出口被堵塞、风筒出现破损等三个主要因素造成局部通风故障;Y1~Y8分别代表因矿井无生产计划、采矿设备与通风系统检修、更换风扇电源、风扇位置调动、通风风筒位置变更、风扇扇叶更换、通风系统远程控制线路故障以及其他设备原因造成通风系统出现故障的因素标识。
通过树形图的故障分析, 维修人员能够迅速找到故障关键点, 为及时解决局部通风故障提供便捷。
1.2 故障单元的划分
除了通过建立树形图查找故障原因外, 还可对局部通风系统按照一定特征划分故障单元。矿井局部通风系统是由多个通风子系统组成, 当任一子系统出现设备故障, 那么对整体局部通风系统都将造成很大影响, 进而导致通风系统出现运行故障。从图1故障树形图可看出, 矿井局部通风系统可分为:高压运作系统、机械运作系统以及低压运作系统三大部分, 其中高压运作系统包含高压开关、变压器以及高压线缆等高压设备;低压运作系统包含低压开关、低压线缆以及漏电保护装置等低压设备;机械运作部分则包含通风管道、风机、风扇扇叶等机械部分。根据高压、低压以及机械的划分原则, 可将通风故障划分为三组故障单元, 见图2。
2 常见通风系统故障与分析
矿井通风设备均采用双风扇运作以及双电源供电方式, 防止在出现电源故障的情况下另一个电源能够代替故障电源工作, 保证风扇不受电源故障的影响。反之, 当风扇出现故障, 备用风扇能够快速代替故障风机运作。所以单风扇、单电源供电的风扇运行模式同样能够运用于局部通风系统。如图3所示。
图3中, L0代表高压线缆, L1、L2为低压线缆。常见通风系统故障的数据具有复杂性、关联性、非即时性以及层次性等特点。通过整理归纳常见风机故障对工作人员及时检修有着重要作用。
2.1 高压系统故障分析
依据图2、图3所示, 常见通风系统故障类型可分为:高压系统故障、低压系统故障以及机械系统故障。本文对三类故障进行常见系统故障作分析整理。高压系统故障, 其常见现象为:常见故障一:高压油断路器烧毁。故障原因:断路器拉杆动作或损毁;高压油断路器出现漏油, 工作人员未及时发现并进行断电处理;油断路器中的油发生变质或油内掺入水分等。常见故障二:高压断路器无法断开、闭合以及出现误动作。故障原因:高压断路器二次侧线路接触不良, 旋转螺丝松动;断路器闸门机械铁心出现卡死;断路器脱扣器未调整好位置。常见故障三:高压电力系统动作结构无法动作。故障原因:操动机构拉杆损毁, 连接处出现虚焊;机构线圈因频繁动作导致线圈温度过高而烧毁。常见故障四:高压电力系统变压器故障。故障原因:变压器发生相间短路或匝间短路。常见故障五:高压电力系统线路故障。故障原因:供电电缆出现接地、短路以及断路。
2.2 低压系统故障分析
低压电力系统故障是三类通风系统故障中的一种, 常见低压电力系统故障主要有:常见故障一:低压电力系统二次侧电压低。故障原因:电压降较大;二次侧线路出现短路;高压线路供电电压较低。常见故障二:低压线路变压器在运行时升温较快。故障原因:变压器绝缘油油质变差或绝缘油低于正常值;变压器一次侧线圈出现短路;变压器负荷超载。常见故障三:低压线路变压器在运行时发出较大噪音。故障原因:变压器线圈绝缘层老化损毁;变压器铁心松动;铁心绝缘老化。
2.3 常见机械系统故障分析
常见故障一:风扇叶片损坏。故障原因:风扇叶片受环境腐蚀而损毁;叶片固定螺旋出现松动;风扇扇叶因形变而损毁。
常见故障二:风扇在运行时发出较大声响且风机震动频率与风机转速不同步。故障原因:风机油膜老化导致风机润滑不足;风机轴承因转速过快导致温度过高。
常见故障三:风扇压力下降。故障原因:通风管道设计不合理, 导致风阻增大;风机质量较差或风机老化;风机工作在不稳定区。
常见故障四:风机流量未跟随压力增高而增高。故障原因:风机出现反转;风机产生的气流中含有较多杂质或气流温度较低;风机叶轮入口存在较大缝隙以及风机叶片出现严重损毁;气流输送口与输出口被堵塞。
常见故障五:风机转动时产生较大震动。故障原因:风机扇叶与风机机壳产生摩擦;风机扇叶刚性不达标;风机叶轮固定螺栓出现松动;风机扇叶上粘连较多灰尘, 导致扇叶在旋转时无法保持平衡。
3 结语
利用粗糙信息收集理论建立信息故障决策系统, 能够使通风故障快速得到正确诊断, 从而为及时维修打下良好基础, 对保障矿井安全、稳定的运行有着重要意义。通过整理归纳常见通风系统故障, 能够在通风系统出现类似前兆现象时, 工作人员能够及时对风机进行检修, 避免故障突然爆发影响矿井日常生产秩序。
参考文献
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探析煤矿矿井局部的通风安全技术 篇2
关键词：煤矿,矿井局部,通风安全
0 引言
矿井通风是煤矿安全生产的保障, 矿井中各个巷道和掘进面必须有安全的通风系统, 通风有利于矿井中瓦斯与粉尘危害的治理。传统矿井局部通风技术已不能满足现代采煤技术发展需求, 新形势下必须科学分析矿井通风技术, 解决煤矿生产中的实际问题, 在保障安全生产基础上, 减少供风长度和人工投入, 降低通风机能耗, 提高经济效益。
1 中国煤矿局部通风安全技术概括[1]
局部通风技术是保证煤炭生产高效、安全运行的重要技术条件。近几年, 随着人们对煤矿需求量增加, 煤矿企业对煤矿开采的深度与强度不断提高, 也正因如此, 造成很多煤矿安全事故发生。比如煤矿中瓦斯泄漏情况等, 解决这种事故的最有效技术措施就是煤矿局部通风技术的提高。近几年, 煤矿生产商研究开发的对旋式轴流式局部通风机有很好通风效果, 此机械是在现代化技术条件上, 采用先进设计理念与结构条件进行工作, 操作简单, 产生噪音很小, 且效率高、运行范围宽、反风性能比较好等。它不仅能满足煤矿技术中掘进工作面不同通风要求, 而且是选用单级单车或双极对旋运行, 使用灵活性高。
2 煤矿局部通风安全性问题分析
在煤矿开采过程中会遇到很多煤矿层问题, 这些煤矿层中存在很多不稳定煤层, 所以在进行煤矿开采时比较容易出现煤层断裂情况, 所以在开采过程中, 必须不断改进生产技术。一般情况下, 不同煤层使用的开采技术不相同, 开采时采用的挖掘方式一般有两种, 即炮挖和机挖。在煤炭挖掘中, 矿井瓦斯区域呈现条带分布, 所以瓦斯涌现量不稳定, 致使瓦斯管理难度越来越大, 这种情况下对矿井挖掘的通风管理要求非常高, 如果通风安全技术不到位, 肯定会造成严重后果, 所以对矿井进行挖掘时一定要注意其通风安全的可靠性。
3 矿井局部通风安全技术分析
矿井通风是有效调节和改善煤矿井下空气环境的重要采煤技术手段, 是煤矿安全开采的保障, 可靠、多元的矿井通风技术方法是保障采煤安全的基础性条件。现阶段, 开发高效可靠矿井通风技术方式, 是现代采煤业稳定发展的基础性措施。
3.1 供电技术分析
在煤矿开采中, 过去人们采用的局部通风机类型是一趟专用供电线路及动力双回路供电方式, 这两种供电方式由于动力线路负荷比较多, 在进行供电时非常容易造成断电现象, 确保不了安全供电, 所以必须升级供电系统[2]。经一系列技术升级后的供电装备, 供电设备的专、备用风机采用中央变电所研制的分开专用线路双回路供电, 提高了煤矿供电安全系统。
3.2 局部通风设备的升级
在煤矿开采过程中, 通风作业必须通过一定的设备来完成工作任务。传统通风设备已达不到现代技术要求, 必须对其进行改造升级。需从风门的墙垛、门扇钢板、门框等进行加厚施工处理。通风设备的风门墙垛厚度从50 cm加厚到100 cm左右;通风设备的风门门扇钢板厚度从5 mm升级为8 mm;门扇四边采用大于50 mm的角铁包边, 使焊接面更加牢固;风门门框换成10号以上槽钢加工的风门, 其中接触墙体侧面的风门门框一般最少要焊接3个相同规格50 mm铁加强装置在墙体内;通风设备的风筒过墙孔一般都需安装逆风装置, 逆风装置构造材料钢板材质, 厚度在5mm左右;在煤巷内建造通风设施时, 注意掏槽施工, 控制好掏槽深度, 一般情况下通风设备掏槽应维持至少20 cm深度, 如果20 cm深度仍不能掏槽时, 需设置锚杆来解决无法在顶部设置掏槽地点的问题;在通风技术中, 每一个风门墙锚杆设置, 一般设置成向周围打2排, 这种密集钢筋锚杆的长度需在18 mm以上, 深度必须在1 m以上, 钢筋锚杆外露长度≥0.6 m, 另外它的间排距在0.3 m~0.4 m范围内。完成这些技术要求后, 进行砌墙, 同时需将外露锚杆全部砌入墙体内。
3.3 分风器的改造升级
传统煤矿局部通风机的分风器一般使用胶质材料制作, 这种制作有一个弊端, 在煤矿进行长距离挖掘时, 经常出现分风器破裂现象, 尽管及时更换分风器, 但还是会给矿井局部供风带来安全隐患, 所以必须对其进行优化升级[3]。升级后的分风器可采取铁质材料分风器, 这样就解决了因为挖掘距离过长而造成的分风器断裂问题。铁质分风器在制作方式上与胶质分风器基本相同, 但铁质分风器内部需要加入有回摆功能的挡风板装置, 以便风机能自由切换, 达到工作灵活多变效果。此种分风器的制作示意图见图1。
3.4 安全监测电缆分析
局部通风设备必须有一定的监测功能以便确保通风机安全, 它的监测电缆不再是传统橡胶电缆, 而是改用屏蔽电缆来制作, 这种材质的电缆不仅能提高监测缆抗干扰性能, 而且能大大延长电缆使用寿命。
3.5 自动倒台开关技术分析
传统自动倒台开关为2台QBZ-80真空开关和1台自动倒台装置, 这种装置工艺比较复杂、效率低、故障点大, 影响通风设备安全运行。经过研究, 升级后的自动倒台开关为QBZ-80/120-SF局部通风, 利用先进隔爆型真空电磁开关完成工作。这种装置的开关具有投资小、工艺简单、维修方便、体积小、不易出现故障等优点, 具有很好运行效益。
3.6 风机和风筒的改造分析
风筒升级一般采用新型大直径的纳米强力胶质风筒, 厚度一般维持在800 mm~1 000 mm左右, 每间隔2 mm在风筒上加1个强筋。这样就能增加风筒供风能力, 且安装简便、质量轻、拼接灵活, 能有效提高长距离供风质量。
3.7 加强监测管理[4]
矿井局部通风系统在进行风机安装时, 要注意传感器的安装, 利用传感器达到对通风系统监控的作用, 通过监测与主机的联网状态, 进行不间断监测工作, 以便保证风机安全运行。而对矿井局部通风安全可靠性控制的监测, 需在供电状态下进行, 这需安装相应电能传感器, 对通风系统进行全天候监测控制, 以便保证矿井局部通风安全运行。
4 结语
煤矿矿井局部通风安全技术需要随着煤矿挖掘技术提高而不断完善, 提高设备安全性性能, 确保煤矿挖掘工作安全性。有效控制井下通风系统有助于保证开采人员人身安全, 可以防止有毒气体造成严重事故。加强通风管理, 防止瓦斯泄漏及火灾隐患形成。建立完善可靠通风系统, 加强安全技术应用探析, 对中国煤炭行业发展有着重大意义。
参考文献
[1]颉占胜.煤矿矿井通风安全管控分析[J].科技创业家, 2011 (1) :144-145.
[2]袁付书.浅谈煤矿矿井局部的通风安全可靠性技术分析[J].科技致富向导, 2014 (1) :274-275.
[3]吕茂林.浅谈煤矿矿井局部的通风安全可靠性技术分析[J].城市建设理论研究 (电子版) , 2011 (15) :114-116.
矿井局部降温系统的研究与应用 篇3
1地质状况
平煤股份十矿位于平顶山煤田东部,井田位于李口向斜西南翼,矿井通风方法为分区抽出式。三水平工程总量大,全岩下山掘进,机械化施工,爆破作业,掘进断面积在17.24 m2以上。井下工作面标高在-673.660～-916.230 m之间,现正在施工的己组三水平轨道巷、专用回风巷,埋深已超过1 036 m,均采用2×30 kW对流式局部通风机压入式供风。由于诸多因素影响,掘进工作面局部温度在33 ℃以上。
2降温系统设计
2.1矿井热环境参数
通过实测,十矿己组三水平专用回风巷道围岩开掘后,围岩温度50 ℃,底板涌水温度50 ℃,巷道平均温度为33 ℃,在掘进工作区域(距掘进面30 m范围内)平均温度为34 ℃。空气相对湿度75%,掘进工作面供风量Q=440 m3/min。
2.2降温系统制冷方式的选择
根据十矿三水平己组专用回风巷及三水平己组轨道掘进工作面总放热量的计算,在考虑供水、通风风量、安装地点和方式、送风距离、掘进方式、产生进度和掘进巷道整体设计等因素的基础上,采用冷却风筒内风流方式(图1),实现对掘进工作面的降温。
2.3所需制冷量计算
施工区域采用FBDNo6.0/2×45 kW型局部通风机,空气温度为34 ℃,需降到28 ℃以下。空气的比热容c=1.01 kJ/(kg·℃),空气密度ρ=1.293 kg/m3,在气体压力和风量保持不变的情况下,风筒内空气温度每降低1 ℃所需制冷量P=9.55 kW。由于电机在对制冷机做功转化为对风筒内空气进行吸热的过程中存在功率损耗,且降温设备不可能安装在掘进工作面,只能在风筒中进行降温,所有功率损耗按65%计算,温度需降低8 ℃,则电机功率应为p1=117.54 kW。所以,降温设备的电机功率在117.54 kW以上,方能满足降温要求。
2.4制冷设备
矿用制冷设备由制冷机组和蒸发器组成,这两部分由软管连接,并输送制冷剂(图2)。
压缩机将在蒸发器中蒸发的制冷剂抽回压缩机,并将其压缩为高压高温气体,排放进冷凝器冷凝为高压液体,经过热力膨胀阀节流降压,送至蒸发器再次蒸发。如此循环,制冷剂在蒸发过程中冷却由局部通风机吹进蒸发器的风流,通过风筒送至工作面。在风机的作用下,空气穿过矿用制冷设备的蒸发器。在蒸发器中,空气被冷却,并被部分除湿。蒸发器内置的脱水器可以有效地收集其内部的水分,然后将其排出蒸发器。在该设备中,压缩机将热量从蒸发器带往冷凝器,之后又将热量传递到冷却水,从而达到冷凝空气的目的[2,3]。
3降温结果监测
该降温系统应用于十矿的三水平己组专用回风巷和轨道下山施工中。设定以下监测点对系统降温效果进行分析:①风机吸入点;②回风口(不受其他巷道出风温度影响的回风处);③制冷机进、出风温度;④制冷机与掘进面的中间地段;⑤风筒出风口;⑥工作面主要工作区。三水平己组专用回风巷和轨道数据监测结果见表1。
通过监测数据可以看出,风机吸入空气温度为28 ℃,经风机吸入压缩后,温度在31.5 ℃左右,风筒出风温度为32.5 ℃,巷道平均温度为33 ℃,在掘进工作区域(工作面30 m范围内)温度为34 ℃。制冷机开启后,在相同的进风温度下,风筒出风口温度下降了9.5 ℃,掘进面主要工作区域温度下降到了26.5 ℃,巷道后段温度也明显下降。在冷却风筒进风流空气的同时,也降低了巷道内的空气湿度,空气相对湿度由原来的75%(实测平均值)降到了40%(实测平均值)。
4经济效益分析
降温系统安装前,为保证安全,需要施工人员75人,受高温影响每月生产进尺仅30 m。安装后,掘进工作面施工人员60人,月进尺保持60 m左右。每月多进尺30 m,每月人员工资4 500元/人,断面积17.24 m2的巷道按3 800元/m计算:巷道节支136.8万元,安全费用节约81万元,每年合计217.8万元。制冷机设备购进费用(含设备所需的管路等)共计380万元,设备使用寿命20 a,设备折旧费19万元/a。另外,每月制冷机水电费用支出为5万元。在降温系统安装后,每年节支138.8万元。
5结语
平煤股份十矿在三水平己组专用回风巷和轨道下山应用局部降温系统效果良好,该系统可以有效缓解井下热害问题,不仅改善了职工施工环境,还大大提高了巷道的掘进速度,给企业带来了可观的经济效益。
摘要：平煤股份十矿现正在施工的己组三水平部分掘进工作面局部温度在33℃以上。基于井下实测热环境参数,分析热害原因并通过相关理论分析,优化设计了矿井局部制冷系统。应用效果表明,该系统降温效果良好,有效改善了施工环境,经济效益显著。
关键词：热害,制冷量,降温系统
参考文献
[1]孙艳玲,桂祥友.矿井热害及其治理[J].辽宁工程技术大学学报,2003(8):35-37.
[2]王进,赵运超,梁栋.矿井降温空调系统的分类及发展现状[J].中山大学学报论丛,2007(2):109-113.
矿井局部 篇4
局部通风机主要担负着抽排煤矿井下局部积聚的瓦斯, 或与除尘装备联合使用排除工作面煤尘, 改善工作环境的重要任务。据统计, 矿井瓦斯爆炸中80%的事故与局部通风机有关。对于局部通风机功率的选择通常是按照最长掘进距离时, 必须保证人员正常吸氧和瓦斯浓度不超限的原则。因此, 局部通风机容量的选择一般都偏大, 经常出现“大马拉小车”的现象, 造成电能的浪费。
传统的通风机变频控制系统是根据瓦斯浓度的大小进行风量调节。但随着掘进工作面的推进, 巷道的延伸、风筒阻力的增大、瓦斯涌出量也是随机的。考虑到通风系统的非线性、多耦合、多干扰等性质, 且当风速过高时, 会使巷道中煤尘的爆炸下限降低, 严重危害矿井的安全生产。为此, 笔者设计了一种矿井局部通风机智能控制系统, 设计了瓦斯和煤尘浓度双模糊控制器, 应用变频调速技术控制局部通风机转速, 可自动地、大范围地连续调节掘进工作面所需风量。
1 局部通风机智能控制系统的组成
局部通风机智能控制系统主要由控制模块、防爆磁力启动器、矿用隔爆变频器、局部通风机以及瓦斯浓度传感器和煤尘浓度传感器等组成。在确定通风系统中瓦斯浓度和煤尘浓度的设定值后, 将其设定值分别与瓦斯浓度传感器和煤尘浓度传感器所监测的值比较, 得到相对应的浓度偏差。控制模块中包括瓦斯浓度模糊控制器和煤尘浓度模糊控制器, 将模糊控制器的输出值量化为矿用隔爆变频器允许的输入信号 (0～10 V的电压信号) 来控制矿用隔爆变频器的输出, 进而控制局部通风机的转速。其控制系统组成如图1所示。
e1-瓦斯浓度偏差;e2-煤尘浓度偏差;de1/dt-瓦斯浓度偏差变化率;de2/dt-煤尘浓度偏差变化率
2 模糊PID控制器的设计
2.1 瓦斯与煤尘的关系
根据《煤炭安全规程》第一百六十八条规定, 瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度关系如表1所示。表1中, 当检测到瓦斯浓度突然升高时, 根据瓦斯浓度模糊控制器的要求, 通风机的转速会升高。此时, 由于风速的升高会使煤尘爆炸的下限浓度降低, 而根据煤尘浓度模糊控制器的要求通风机转速又要降低, 所以如何确定矿用隔爆变频器的输入量是比较困难的。为此, 笔者提出了相对危险系数这个概念来解决上述问题。
相对危险系数的定义如下:
其物理含义是爆炸的可能性, 即相对危险系数越高, 其爆炸的可能性越大。本系统根据瓦斯和煤尘相对危险系数的大小来决定矿用隔爆变频器控制量的大小, 选取相对危险系数大的作为矿用隔爆变频器的控制量。若2种气体的相对危险系数相等时, 以瓦斯浓度模糊控制器的输出作为矿用隔爆变频器的控制量, 如果此时煤尘爆炸的下限浓度达到警戒线, 应采取洒水等措施, 以降低煤尘的浓度。
2.2 模糊PID控制原理与结构
根据系统的实际情况和控制要求, 采用二维模糊PID控制器对局部通风机进行控制。模糊PID控制器具有参数自整定功能, 可以自动实现对PID参数的最佳调整。PID参数模糊自整定是找出PID中kp、ki、kd这3个参数与误差E和误差变化率EC之间的模糊关系, 在运行中不断检测E和EC, 根据模糊控制原理对3个参数进行在线修改, 以满足不同E和EC对控制参数的不同实时要求, 使被控对象具有良好的动、稳态性能。
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑, kp、ki、kd的作用如下:
(1) 比例系数kp的作用是加快系统的响应速度, 提高系统的调节精度。 kp越大, 系统的响应速度越快, 系统的调节精度越高, 但易产生超调, 甚至导致系统不稳定。kp取值过小则会降低调节精度, 使响应速度缓慢, 从而延长调节时间, 使系统静态、动态特性变差。
(2) 积分系数ki的作用是消除系统的稳态误差。ki越大, 系统的稳态误差消除越快, 但若ki过大, 在响应过程的初期会产生积分饱和现象, 从而引起响应过程的较大超调。若ki过小, 将使系统稳态误差难以消除, 影响系统的调节精度。
(3) 微分系数kd的作用是改善系统的动态特性, 反映偏差信号的变化趋势, 并能在偏差信号值变得太大之前, 在系统中引入一个有效的早期修正信号, 从而加快系统的动作速度, 减少调节时间。
2.3 模糊控制器的算法设计
根据模糊PID的控制原理, 笔者设计了瓦斯浓度和煤尘浓度模糊PID控制器。
(1) 输入、输出变量的确立
基于对系统的分析, 将误差E和误差变化率EC作为模糊控制器的输入, PID控制器的3个参数kp、ki、kd作为输出。
(2) 输入、输出变量的模糊语言描述
(a) 瓦斯浓度模糊控制器
设定输入变量|E|和|EC|语言值的模糊子集为{负大, 负中, 负小, 零, 正小, 正中, 正大}, 并简记为{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}, 将误差E和误差变化率EC量化到[-3, 3]的区域内。同样, 设定输出量kp、ki、kd的模糊子集为{ZO, PS, PM, PB}, 并将其量化到区域[0, 3]内。输入、输出变量的隶属函数曲线分别如图2和图3所示。
(b) 煤尘浓度模糊控制器
设定输入变量|E|和|EC|语言值的模糊子集为{负大, 负中, 负小, 零, 正小, 正中, 正大}, 并简记为{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}, 将E和EC量化到[-6, 6]的区域内。同样, 设定输出量kp、ki、kd的模糊子集为{ZO, PS, PM, PB}, 并将其量化到区域[0, 6]内。输入、输出变量的隶属函数曲线分别如图4和图5所示。
(3) 模糊控制规则的制定
根据工程设计人员的技术知识和实际操作经验, 建立合适的模糊规则表, 得到kp、ki、kd的参数整定模糊控制表。以瓦斯浓度模糊控制器为例, 其kp、ki、kd模糊控制表如表2、表3、表4所示。
3 仿真及分析
在完成瓦斯浓度模糊控制器和煤尘浓度模糊控制器的设计后, 本文建立了基于Matlab/Simulink的自调整模糊控制系统的仿真模型。为了避免局部通风机频繁启动给电网带来的冲击, 以及启动时给局部通风机带来的损耗, 局部通风机的最低转速保持在300 r/min, 以保证巷道内的正常供风。电动机选用的是交流异步电动机, 其极对数是2, 额定转速为1 500 r/min。
瓦斯浓度模糊控制器的仿真:假设瓦斯浓度随时间的变化曲线如图6所示, 其瓦斯浓度模糊控制仿真如图7所示。
煤尘浓度模糊控制器的仿真:假设煤尘浓度随时间的变化曲线如图8所示, 其煤尘浓度模糊控制仿真如图9所示。
通过对瓦斯浓度模糊控制器以及煤尘浓度模糊控制器的仿真可以看出, 随着工作面瓦斯和煤尘浓度的不同, 控制系统会根据爆炸性气体的浓度变化, 自动、连续、实时地对局部通风机进行调速;当系统中检测到瓦斯或煤尘浓度发生变化时, 局部通风机转速在很短的时间内就能达到设定的转速, 具有很快的响应速度, 基本没有超调, 而且在恒速运行时, 局部通风机转速平稳, 基本没有波动的现象。
4 结语
根据煤矿井下局部通风机的运行要求, 本文提出了一种矿井局部通风机智能控制系统的设计方案, 设计了基于模糊控制的瓦斯、煤尘浓度的模糊控制器。局部通风机智能控制系统的仿真结果表明, 该系统在采用模糊PID控制后, 具有很快的响应速度、较高的调节精度, 而且稳态性能良好, 基本上没有出现超调和振荡的现象。
摘要：针对传统的矿井局部通风机变频控制系统仅随瓦斯浓度调节风量而存在的不足, 文章提出了一种兼顾瓦斯浓度和煤尘浓度的矿井局部通风机智能控制系统的设计方案, 介绍了基于模糊PID控制的瓦斯、煤尘浓度的模糊控制器的设计。通过对瓦斯浓度模糊控制器以及煤尘浓度模糊控制器的仿真可以看出, 随着工作面瓦斯和煤尘浓度的不同, 该智能控制系统会根据爆炸性气体的浓度变化, 自动、连续、实时地对局部通风机进行调速。
关键词：矿井,局部通风机,模糊PID控制器,变频调速,瓦斯浓度,煤尘浓度
参考文献
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矿井局部 篇5
1 监测监控对象
桑树坪矿井下12个局部供风地点的局部通风机及控制设备。
2 监测信号
⑴局部通风机双电源开关及主副风机进线开关的工作状态。
⑵局部通风机双电源开关及主副风机进线开关的电气参数、保护内容、数据故障记录。
⑶局部通风机及其开关附近10米内风流中的瓦斯浓度、风筒出口处的瓦斯浓度、掘进工作面的瓦斯浓度、风筒压力、风量、风速、风筒状态、风机温度等参数。
⑷局部通风机附近视频图像信号。
3 控制内容
⑴局部通风机的远程开停 (远程启动风机前风机附带的预警装置会发出时间可设定的声光告警信号) 。
⑵局部通风机附近的瓦斯浓度超过0.5%时, 系统会闭锁本风机的启动功能, 当瓦斯浓度低于0.5%时, 闭锁自动解除 (还需复位后才能再次启动) 。
⑶当主副风机前级配电开关停电时, 系统会自动闭锁局部风机的启动功能, 并发出就地和远程告警。
⑷远程启停风机进线开关。
4 系统结构
局部通风机智能远程监控系统采用PC+井下分站集中分布式结构, 系统主要由上位工控机系统、以太网数据交换系统、分站下位机系统 (含PLC及传感器) 组成。上位工控机与监控分站之间采用以太网通信方式;监控分站与主副风机进线开关及双电源开关之间采用RS485通信方式。
4.1 上位工控机系统
上位工控机系统由工业控制计算机 (工控机) 、后备电源 (UPS) 等组成, 主要根据采集的局部通风机及控制设备数据和友好的软件平台, 实现局部通风机的运行监视和控制管理, 完成局部通风机远程参数的显示 (如开关状态、保护型号、事件记录、电压、电流等) 、运行参数设置及数据处理、查询、远程起停、故障复位等功能。
4.2 监控分站下位机系统
此部分主要由风机参数监测单元 (综保、传感器) 、井下监控分站、防爆摄像仪和井下隔爆交换机组成。
风机参数监测单元:负责现场设备数据的采集与转发, 并下发执行中心发出的遥控执行命令。
井下监控分站下位机采用西门子S7系列PLC作为监控核心。利用S7的模块化结构, 系统配置相应的通信模块与进线开关、双电源开关进行通信, 完成风机及控制设备的监控, 同时完成控制开关综合保护器与地面上位工控机间的数据上传及命令下达。
监视局部通风机图像的防爆摄像仪通过防爆网线就近接入交换机, 将现场图像传送至地面监控中心。
5 系统软件
由操作系统软件WINDOWS2000、组态软件WINCC7.0、数据库软件SQL及组态应用软件ZTC-ZRN3.1组成。
6 系统主要功能特点
6.1 监测显示功能
⑴具有瓦斯浓度、风速、风量、风压、温度、风筒状态实时显示功能。
⑵具有双电源开关和进线开关状态监视功能, 具有电压、电流、功率实时显示功能, 具有带时标的事件顺序记录及各类故障显示功能。
⑶具有显示现场视频图像功能。
⑷提供形象的操作界面, 操作人员通过鼠标或键盘操作, 完成设备的启停和生产过程中各状态参数的监测及相关参数的设定、调整。
⑸具有监测显示系统各级设备的通讯状态功能。
⑹系统具备传感器自检功能, 能够自动检测传感器的断线、短路、断电等故障。
6.2 控制部分主要功能
控制系统有3种控制操作方式, 即远方控制、就地自动运行、就地手动方式。
在远方控制方式下, 上位机通过监控分站将局部通风机现场的传感器 (瓦斯、风压、风筒开关、风量、温度) 、设备状态等数据信息随机采集并自诊断, 并将自诊断的所有信息动态显示到PC机的显示屏上;当需要发出启动指令时, PC机屏显示的自诊断信息在没有停机故障时下发给监控分站, 启动局部通风机 (启动时间的延时可以方便地在地面PC机上设定) 。运行过程中具备故障自动切换及瓦斯电、风电闭锁功能。
在“就地自动”控制方式下, 操作人员在井下的监控分站上通过开停按钮启动设备, 运行过程中具备故障自动切换及瓦斯电、风电闭锁功能。
在“就地手动”控制方式下, 操作人员通过监控分站面板上的按钮起停单台风机。
6.3 保护、停止功能
6.3.1 停车及瓦斯超限、风筒压力异常保护功能
当现场的传感器检测、保护装置故障动作以后, 系统立即闭锁风机并报警, 防止事故的扩大。当检测到局部通风机附近的瓦斯超过0.5%时系统立即闭锁风机的启动功能;当瓦斯低于0.5%时解除报警, 但要再次开启局部风机, 必须通过地面控制室的操作值班员在PC机上完成确认、清除 (瓦斯报警复位) 报警操作后, 方可远程开启操作, 否则拒绝开启操作。
6.3.2 紧急停车及互投功能
当出现设备故障需紧急停机情况时, 局部通风机自动切换启动备用局部通风机;监控人员可以每天在集控计算机上对正常工作的局部通风机与备用局部通风机进行自动切换试验。
当出现局部风机超温、开关故障等情况风机自动切换, 并报警提示, 同时提示风机切换信息;风筒压力异常时只报警不停机, 也不切换风机。
6.4 系统安全管理功能
系统具有用户登录和密码修改界面、系统用户数据库管理、各类人员操作记录查询功能、报警数据保存和查询功能。可分别查询各台局部通风机数月内的报警、故障记录, 协助技术人员对局部通风机运行情况进行分析判断。
7 结束语