矿井风机控制（共7篇）
矿井风机控制 篇1
1引言
矿井通风机的主要作用是将矿井中的有害气体(例如瓦斯)和矿尘排除井外,将新鲜的空气送入井下,因此可以改善井下的工作环境,保障安全生产。多年来, 人们对矿井风机的控制方法,大都采用针对井内的瓦斯浓度或矿尘浓度等参数进行设限报警的方法,而且风机始终处于工频运行状态,造成很大的能源浪费,因此不能满足目前的生产需要。在一些自动化程度较高的矿井, 虽然对风机采用了变频调速控制,但大多数都是对单一参数进行控制,不能兼顾改善工作环境和保障安全生产两个因素[1]。例如多数控制系统都是将瓦斯浓度作为控制指标,让风机根据瓦斯浓度的高低来变频运行,但有时候在瓦斯浓度较低的场合,可能矿尘浓度会比较高, 这样对工人的健康会带来危害,达不到科学控制的目的。 个别控制系统采用较先进的PID控制器,但由于PID控制器参数整定比较困难,需要设计精确的控制策略, 智能性较差,不适合复杂工况下的控制要求。如何既能改善井下工作条件,又能保障安全生产,同时还要最大限度的降低能耗,,使风机具有智能调速的功能,成为实现矿业科学生产的重要课题。本文将模糊控制技术和PLC控制技术结合在一起,设计了一种矿井风机模糊控制器,解决了上述问题,有效改善了矿井工况,最大限度地降低了能耗。
2变频调速节能分析
电机的转速取决于供电的频率,通过调节供电频率, 可以达到调速的目的。电机在工频下运行时,输出功率最大,亦即耗能最大。当供电频率降低时,转速随之降低, 轴功率会大幅下降。功率P与转速n的对应关系如公式 (1)所示[2]。
根据公式(1),我们可以计算出电机在变频调速时的节能效果如图1所示。
从图中可以看出,当转速降为额定转速的一半时, 节能效果可以达到86%,因此让电机根据工况条件进行变频运行,通过设计合理的控制策略,可以最大限度降低能耗。
3模糊控制原理
典型的模糊控制系统由模糊控制器、被控对象、输入量和输出量等几部分构成[3],如图2所示。其中,模糊控制器主要包括三个模块:模糊化模块、模糊推理模块和解模糊模块。系统控制原理是这样的:给定值与输出量的偏差e经模糊化后生成模糊变量E,模糊推理模块根据模糊变量E,利用模糊控制规则得到模糊输出量U,系统将该变量解模糊后所得到的清晰量u作用于被控对象,从而实现自动控制的目的。
4风机模糊控制系统设计
4.1风机模糊控制系统组成
以煤矿为例,井下作业时,影响工况条件和安全生产的因素主要有两个:瓦斯浓度和煤尘浓度。根据《煤矿安全规定》,掘进工作面的瓦斯浓度不得超过1.5%, 过高则遇明火会发生瓦斯爆炸。而煤尘浓度不得超过45g/m3, 否则不仅会对操作工人的身体健康造成危害, 还有可能引起爆炸。最理想的工况是这两个参数值接近于0,我们称之为理想工况。将这两个参数的实际工况与理想工况的差作为模糊控制系统的两个输入量,将分机转速作为输出量[4],便构成了风机模糊控制系统如图3所示。
该系统主要包括模糊控制器、变频器、风机、传感器等几部分组成。我们将瓦斯浓度传感器安装在掘进工作面,将矿尘浓度传感器安装在有操作工人工作的区域。 为实现节能目的,当煤尘浓度在0 ~ 45 g/m3,瓦斯浓度在0 ~ 1.5% 范围内变化时,要求风机转速根据这两个参数的大小做相应的调速处理,以获得最佳的工况和最大的节能效果。系统将两个从各自传感器得到的数值与给定值(即理想工况值)比较后的结果进行模糊化, 经模糊推理和决策得到风机调速值,经解模糊后通过变频器控制通风机进行调速,有效排除瓦斯和煤尘。该过程为闭环反馈控制系统,最终使井下工况达到或接近理想工况。
4.2模糊控制器设计
该模糊控制系统为二维输入一维输出,模糊控制器选择二维模糊控制器 , 其Mamdandi模型图如图4所示。 二维模糊控制器具有结构简单,控制精确,反应迅速等特点,因而得到广泛应用。
4.2.1输入量模糊化
我们把瓦斯浓度误差范围设定为0 ~ 1.5%,量化处理 后得到其 论域X1={0,1,2,3,4,5}, 其模糊论 域可划分为W={PL,PS,PM,PH,PB}。同样将矿尘浓度误差范围设定为0 ~ 45 g/m3,量化处理后得到其论域X2 = {0,1,2,3,4,5},其模糊论域可划分为K={PL,PS,PM,PH,PB}。两个输入量的模糊论域各元素分别表示“浓度低”、“浓度较低”、“浓度中”、“浓度较高”、“浓度高”。瓦斯浓度模糊集合的隶属度函数如图5所示,矿尘浓度模糊集合的隶属度函数与之相同,
4.2.2输出量模糊化
为了保证 井下空气 清新, 我们设定 风机运行 的最低频 率为额定 转速的50%, 因此风机 转速的范 围是额定 转速的50% ~ 100%。 量化处理 后其论域u={0,1,2,3,4,5}, 模糊论域 可划分为U={PL,PS,PM,PH,PB}, 分别表示“风机转速低”、“风机转速较低”、“风机转速中”、“风机转速较高”、“风机转速高”。风机转速模糊集合的隶属度函数如图6所示。
4.3.3制定控制规则
根据井下工作的实际情况,我们要求无论是瓦斯浓度还是矿尘浓度,当其中任意一个误差值高时,必须保证风机高速运转以快速排出有害气体和矿尘。只有当两种气体浓度都较低时,风机才能以较低的速率运行。根据这个原则,我们结合现场实际情况和井下作业的经验, 制定了模糊控制规则表如表1所示。实际工作中,我们根据两个输入量的误差模糊值,通过查询模糊控制规则表,实现对风机的调速控制。
4.3.4系统仿真
我们利用Matlab的Fuzzy工具包对该模糊系统进行仿真,得到风机模糊控制系统的Surface控制曲面如图7所示。从控制曲面中可以看出,该系统的控制规则和隶属度函数匹配良好,能够实现对风机变频调速控制的预期效果[5]。
5基于PLC的模糊控制系统实现
本文采用西门子的S7-200型PLC作为系统控制器, 首先将从两个传感器得到的浓度偏差值经A/D转换后输入PLC的两个寄存器中,经过比较运算对应到模糊论域中相应的元素,可以在PLC中针对这两个变量定义10个内部继电器,分别对应两个输入量的各5个模糊元素 , 根据输入量的模糊值确定其中两个对应的中间继电器为“通”。控制器根据内部继电器的状态,通过查询规则表,得到风机的输出状态值,将此状态值转换为三个输出继电器的不同组合,该三个继电器与变频器三个控制端子相连,从而通过变频器实现对风机的变频调速控制[6]。该模糊系统控制流程如图8所示。
6结束语
本系统能根据井下瓦斯浓度和矿尘浓度两个参数, 实现对风机的智能调速,从而达到改善工况、提高安全、 降低能耗的目的,且具有实现简单,使用可靠等特点。 实际使用中,应注意合理选择传感器的检测位置,尽力做到正确反应井下状况,必要时可以采用多个传感器同时检测,以避免因井下局部环境恶化而出现检测不准确的情况。该系统在实际应用中取得了良好效果,统计表明,在正常生产的情况下,风机转速状态在“转速中” 以下的运转时间占总工作时间的60% 以上,既保障了井下的工况条件和安全生产,又有效降低了电能损耗。
摘要：针对矿井风机高耗能、控制参数单一、控制方法落后等问题,提出了一种基于PLC的多参数模糊控制方法,该方法将矿尘浓度和瓦斯浓度作为控制参数,将风机转速作为输出量,通过建立合理的模糊控制规则,实现对风机运行的科学控制。给出了PLC程序流程图及控制系统实现方法,并应用Matlab对系统进行模拟仿真,仿真及实验结果表明,该控制系统既可以使矿井的工作环境和安全生产条件得到有效改善,同时还能明显降低电能消耗。
关键词：矿井风机,模糊控制,PLC,Matlab
矿井风机控制 篇2
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
[1]张国枢.通风安全学[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2000.
[2]王惠宾, 胡卫民.矿井通风网络理论与算法[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1996.
[3]闻新, 周露, 李东江, 等.MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用[M].北京:科学出版社, 2001.
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矿井风机控制 篇3
1 风机风量调节方式及变频控制方案选择
1.1 风机风量调节方式的选择
在生产过程中, 矿井风量需求及通风网络情况是一个动态过程, 需要对风机工况进行适时调节以满足生产要求。传统风量调节模式主要是改变叶片安装角度和风量节流调节。但是前者需停机操作, 且会对风机效率产生影响, 而风量节流调节则会造成能源的浪费。根据负压值变化规律运用变频调速技术自动调节风机转速的方法可实现不改变风机的效率, 在各工况下不停机调节风机风量的目的。
煤矿主扇风机是否选用变频调速要优先考虑能否在现有工况下进行调节。风机属于平方转矩类负载, 应选用适合于风机水泵使用的通用型变频器。一般根据主扇风机电机的额定电流选用变频器, 变频器的电压等级应符合电源与电动机的额定电压要求, 额定输出电流大于扇风机电机的额定电流。另外要注意变频经常运行频率不能太低, 防止电动机温升过高。大功率变频器输入端应选用输入电抗器以更好的抑制电网电压波动, 保护变频器。
1.2 变频控制方式及控制方案
变频调速器作为一种新型的电力变换装置, 已成熟地应用到工业生产的各个方面, 结合其他领域中对于变频调速方式的描述及在煤矿风机中应用试验可知, 变频调节技术是根据公式, 通过变频器改变电源频率来调节风机中电机的转速。这种调速方式调速范围宽, 成功后设备使用寿命增长, 设备自身能耗降低且日常维护量减少。
煤矿主通风一般采用两台防爆抽出式对旋轴流通风机, 两台抽出式对旋轴流通风机互为备用。每台对旋轴流通风机又是由两台首尾对放的风机组合构成, 使用时要求每一台对旋轴流通风机的两台风机转速一致。使用变频控制技术时可达到同时启动和停止的效果, 而需要工频控制时又可以分别启动, 平时工作时主要抽出式对旋轴流通风机由变频控制运转, 另外一台抽出式对旋轴流通风机可待机备用。每台对旋轴流通风机又分别具有工频、变频控制功能, 工频控制为变频控制的备用。当主要对旋轴流通风机变频控制出现故障时变频控制启动备用的对旋轴流通风机。通过两台对旋轴流通风机的相互配合及变频控制与工频控制相结合的方式来确保矿井通风安全。
2 变频调速的节能机理
变频调速器的突出优点是节能, 特别是在流体类负载 (如风、水) 中, 其节能率在20%~60%, 投资回收期一般为1~3年, 而且能够满足一般生产工艺的要求。
调节风机风量的方法主要有2种:电动机的转速恒定, 调节风门的开度;风门的开度恒定, 调节电动机的转速。其中第二种方法即为运用变频调节技术, 使用变频器调节风机工况, 在满足风量要求的情况下以期达到节能之目的。
由风机的特性曲线图, 曲线1为风机在恒速下的风压一风量 (H-Q) 特性曲线;曲线2为风机在恒速下的功率一风量 (P-Q) 特性曲线;曲线3为管网风阻特性曲线。
分析上图可知, 假设风机工作在A点时, 效率最高, 此时输出风量Q为100%。此时, 轴功率为P1, 且与Q1、H1的乘积成正比, 即P1与AH1OQ1所包围的面积成正比。当需要调节风量时, 把矿井所需风量从100%减少到额定风量的50%, 即从Q1减少到Q2时, 如果用调节风门的方法来调节风量, 将会使管网阻力曲线由曲线3变为曲线4。可知, 用减小风门的开度来调节风量将会增加管网阻力。此时, 系统的工作点由原来的A点移至B点。可以看出, 风机输出风量虽然降低了, 但相对风压却增加了, 轴功率P2与面积BH2OQ2成正比, 它与P1相比, 减少不多。
如果采用调节转速来调节风量的方法, 使风机转速由n1降到n2。根据风机参数的比率定律, 可得出在转速为n2工况下的风压—风量 (H-Q) 特性曲线图, 此时, 风机在C点处运行。可见, 在保证同样风量Q2的情况下, 调节转速可使风压大幅度降低到H3, 轴功率P2及面积C H3O Q2都得到了明显降低。所节约的功率ΔH正比于面积AH1OQ1和面积CH3OQ2之差。由此可见, 用调速的方法来控制风机工作状态的节能效果是十分可观的。
3 节能效果理论计算
变频调速装置 (变频器) 在煤矿风机节能调速中的应用具有非常广阔的前景。对风机的节能理论计算方法很多, 作者认为根据国家标准GB12497-1995年《三相异步电动机经济运行》对电动机经济运行管理的规定的计算公式能够较为准确的反映出煤矿风机变频技改之后的节能效果。
通过分析可知变频技术来控制风机运行, 使设备起停平稳, 运行可靠, 节电效果明显。变频器操作简单, 两级风机可以同时启动, 可在3min之内启动至需要速度, 短时间内满足风量需求, 保障了生产安全。反风操作方便可靠, 完全可以在10min内实现反风。输出频率和电压符合规定, 变频器网侧功率因数可达0.95左右, 工作效率达到甚至高于95%。运用变频技术对风机进行技改后, 可以使风机低位运行, 不仅延长了风机使用寿命, 且降低了成本, 兼有降噪功效, 改善了工作环境。
4 结语
(1) 将变频技术在风机节能改造中实际运用, 使风机的综合性能有了大的改善, 实现了最大化综合效益。
(2) 由于风机低频启动电流小, 降低了启动扭矩, 从而保护了电机, 延长了电机使用寿命;风机在正常运行时噪音明显降低, 改善了值班人员的工作环境。
(3) 当风机出现故障时变频器显示屏会文字提示并且自动储存故障信息, 这样方便了故障排查, 缩短了维护检修时间。
摘要：为了实现节能降耗, 煤矿针对主通风机进行变频技术改造。根据设备的具体工艺情况, 确定了采用变频技术的最佳解决方案。通过对改造前后主通风机运行情况的对比分析, 得出改造后电能大幅度降低、提高了主通风机的控制水平的结论。
矿井风机控制 篇4
1 PLC控制技术在矿井通风机中的应用
在以PLC为基础的控制系统中, 电路的开关动作基本上由半导体电路实现, 在PLC设计时考虑其各种工作环境, 保证PLC能在各种条件下可靠地工作。PLC已经模块化与系列化, 产品用户在使用时可以根据自身的要求灵活设置, 硬件装置不再需要制作, 使用时只需要设计程序即可满足不同要求。PLC使用梯形图编程语言, 与传统的接触器控制电路相似, 容易掌握。其输入输出功能比较完善, 不仅可以逻辑化控制大量开关, 还可以对各个电路进行运算和控制。在输入输出方面, 其可以很方便地与各种类型的接口连接。
变频调速技术可以根据要求来改变电源频率, 以达到改变电机转速的目的。通风机是煤矿设备的必要设备且耗电量在所有的矿用电气设备中最大, 因此在矿用通风机上推广使用变频器对节能有重大意义。将其运用到通风机上可以实现风机无极调速, 根据生产要求实时调整风量, 减少电能损耗。变频器还可以在风机启动时限制电流, 减少峰值功率损耗, 避免在电机启停时对设备产生冲击, 减少设备的损耗。变频器有很多的保护功能, 对保证风机的安全运行意义明显。PLC与变频器结合使用, 可以实现对井下通风系统的监控, 减少通风系统检修的工作量。
2 控制系统基本原理
系统的结构如图1所示。
PLC为此系统的主控单元, 局部通风机的电机为此系统的被控单元, 电机的运行为变频运行, 控制参数为瓦斯的浓度。采用的PLC的型号为FX2N-32M, 以FX2N-4AD为A/D模块, 采用的变频器的型号为FR-A540。
当瓦斯浓度变化时, 瓦斯传感器可以将信号通过A/D传递给系统, 并且通过PLC进行分析运算, 把控制指令输送给变频器, 这样就能实现对电机转速的控制, 从而实现控制的最优化。此系统可以在工频和变频之间切换, 在电机的变频器发生故障或者需要电机长时间工频运行时, 系统可以自动将其转换至工频。此系统的调节方式一共有手动与自动两种调节方式, 手动方式下可以人为地控制电机的启停等功能, 从而提高电机的可控制性。
3 控制系统硬件电路
此PLC系统的硬件组成电路如图2所示, I/O地址见表1。
此系统可以使用手动方式来调节变频器的频率, 也可通过变频器自带的功能来进行设置。
4 PLC程序设计
本次设计的PLC程序流程见图3。
根据相关规程规定, 瓦斯浓度超过1.5%时需要排放瓦斯, 为了节能, 在瓦斯浓度小于15%时, 通风机提供的风量应该随着瓦斯浓度的变化而变化。本次设计的系统可以满足此要求, 调频控制程序见图4。
此外, 由于通风不仅要满足排放瓦斯的要求, 还有除尘等要求, 所以根据需要设置电机的频率最小为25Hz。
此装置使用变频器上RH、RL和RM组合来控制通断, 当瓦斯浓度变化时, 风机的转速可以转换进行调节。此程序设计了5个级别的电机转速, 其具体设计值见表2。
5 结语
根据耿村煤矿井下局部通风的需要, 设计了PLC控制的变频调速的局部通风机, 此装置不仅可以及时实现瓦斯排放, 保证矿井通风的安全性, 并且还可以实现用电的经济性。此设计方法对类似条件下的变频调速有很大的借鉴意义, 经济和社会意义巨大。
参考文献
[1]陈延奎.浅谈PLC控制系统的设计方法[J].中国科技信息, 2009 (20) :116-118.
矿井主通风机的选型设计 篇5
关键词：主通风机,变频控制,节能,选型,防爆电机
目前国内大型矿井在主通风机选型时, 为考虑通风安全, 风量、负压等数值选取偏大, 造成风机能力过大, 往往形成“大马拉小车”情况。在满足安全生产的情况下, 对主通风机进行合理的选型, 不但会为煤矿带来明显的经济效益, 也可减排噪声污染, 具有十分重要的意义。
1 概况
唐家会矿井设计生产能力6.00Mt/a, 矿井为瓦斯矿井, 各煤层瓦斯含量均较低。采用中央并列式通风系统, 抽出式通风方式, 主斜井、副立井进风, 回风立井回风。
矿井于2010年11月开工, 预计2013年投产。前期井下共布置一个综采工作面, 1个综放工作面, 4个综掘工作面, 2个岩巷掘进工作面;困难时期时, 井下共布置2个综放工作面, 6个综掘工作面, 3个岩巷掘进工作面。根据风量及负压计算得:前期矿井需风量为252m3/s, 负压为631.43Pa;后期矿井需风量为280m3/s, 负压为2588.81Pa。
2 通风设备方案比较
由于矿井施工速度快, 建设周期短, 在三井贯通后主通风机即投入使用, 在初期矿井需风量及负压较小情况下, 要求主通风机各工况点达到最佳, 且主通风机房施工及主通风机安装必须短期内完成, 综合以上因素, 最终优选了3种方案, 具体如下:
方案一:选用FBCDZ型矿用防爆对旋轴流式通风机, 属于国内90年代中期开发的产品, 已经在国内矿井得到大量的应用, 其两级叶轮既是工作轮又互为导叶, 反转反风, 反风量较大, 反风时间短;佩带风门、消音器、扩散筒, 安全简单、施工周期断, 维护工作小;不需要建风机房、可露天布置。但是由于通风机电动机安装在风机轮毂内, 需要装设防爆电动机。
方案二:选用的ANN型轴流式矿井通风机是Howden公司的产品, 采用C型轮毂比以往的N型轮毂强度高, 更安全可靠;风机技术性能先进、运行效率高、高效区域宽广。采用动叶可调的调节方式, 启动力矩小, 并可适时不停机调节叶片角度以适应风量负压要求;该风机采用反转反风, 反风时间短;结构设计合理, 主电机安装在进风侧, 传动轴较短, 便于安装、维护;产品佩戴集气箱、电动百叶风门、润滑油站、风压测定装置、消音器等、成套性强, 噪音小。但是该风机由于主要部件在国外生产, 备品配件价格比较高, 加工时间较长。
方案三:选用的GAF型轴流式矿井通风机是80年代全套引进TLT公司技术, 由上海鼓风机厂生产。采用停机一次性整体调节叶片角度方式, 反风量大;产品佩带消音器、箱式风门、轴承润滑站、喘振报警装置、通风测定装置等, 成套性强。但由于主电机安装在出风侧, 同时扩散塔较高, 为避免基础的不均匀下沉, 基础处理难且工程量大;占地面积较大, 安装调试复杂, 施工周期长, 装置设备多、维护量稍大。反风时需要调节叶片角度, 操作时间长。
通过以上3种方案比较, 决定选用方案一FBCDZ型矿用防爆对旋轴流式通风机。
3 选型计算
1) 经计算前期风机风量为277.2m3/s, 负压为831.43Pa;后期风量为308m3/s, 负压为2788.81Pa。矿井初期生产时, 不采用临时主通风机, 而是直接采用永久主通风机, 由于初期矿井需风量、负压较小, 与矿井通风容易时期风量、负压相差较大, 决定采用单机变频方式来达到运行的最佳工况, 变频后工矿点及风机曲线见下图。
FBCDZNo.36主通风机单级变频运行性能曲线FBCDZNo.36主通FBCDZ-10-№36型主通风机, 单级变频运行曲线。
经验算, 在风机运行初期如果不使用变频装置, 则风机能耗大于国家发展改革委、国家环保总局《关于印发煤炭工业节能减排工作意见的通知》发改能源[2007]1456号文件中关于“主通风机电耗, 轴流式应低于0.44千瓦/·百万立方米帕”的要求。并且风机运行前期工矿点效率过低。为提高风机工作效率, 在矿井生产初期及通风前后期, 风机均采用变频运行, 能达到最佳工况点。
4 选型结果
通风机:FBCDZ-10-№36型防爆对旋轴流风机2台, 1台工作、1台备用。
电动机:矿井移交生产时期配南阳防爆电机厂生产的YB系列10极电机, 功率2×280kW, 电压10kV, 移交生产时期电机单机运行, 并配变频装置一套;运行前期配YB系列10极电机, 功率2×280kW, 电压10kV;运行后期配YB系列10极电机, 功率2×710kW, 电压10kV, 风机运行前、后期更换电机。
根据以上参数, 选用的FBCDZ-10-№36型对旋防爆轴流风机, 它具有高效、节能、低噪声, 节约基建投资和反风速度快的特点。该风机噪声小, 可不设消音器, 并可反转返风, 风门选用2台电动蝶式风门, 功率11kW, 电压380V。
5 结论
在主通风机选型上, 一是必须根据矿井生产实际, 准确计算出矿井前后期需风量及负压变化情况, 在此基础上, 进行主通风机合理选择;
二是合理选用配套电机, 防止前期大马拉小车和后期小马拉大车现象;
三是瓦斯含量较低的矿井中, 选用FBCDZ系列防爆对旋轴流风机, 不需建造扩散塔, 施工周期短, 资金投入小, 采用变频控制系统后更是具有节能降耗的重要优点。
参考文献
矿井风机在线监控系统应用实践 篇6
1 现状分析
矿井主通风机是向井下送风的重要设备, 也是大型耗能设备, 以国家标准《通风机空气动力性能试验方法》、《煤矿用主要通风机现场性能参数测定方法》和《煤炭行业标准》作为依据, 运用专项研究成果和工业用计算机检测方法, 来在线处理和测量矿用大型的通风机在运行过程中所显示的数据, 通过多种方式提供和获得风机运行的各项数据, 以保障通风机运行安全和方便其性能的测试, 这些内容对于煤矿的安全生产、矿工的生命安全和减少风机的耗能具有重大意义[3]。
某煤矿三水平风井的任务是负责东区、中区的通风。BDK618-8-NO.30型对旋风机, 电机 (型号YBF630-8) 的电压和功率分别是6k V、3.8×460 k W;倒机操作使用的是传统模式:首先停止主通风机的运转→接着关闭运转的主通风机闸板上面的风门, 开启备用的通风机闸板上面的风门→启动备用的通风→倒机顺利完成[4]。正常情况下每次倒机时间是7分钟, 虽然没有超过规定的10min的时间 (《煤矿安全规程》) , 但井下却出现停风约3min的现象, 因为矿井的瓦斯涌出量约为109.01m3/min, 这给矿井带来了极大的安全隐患, 与此同时, 因为风机完全是由人工操作来完成的, 这就要求每台风机每次需要7个人进行操作;当前的监测系统是分散显示数据, 而且仅对温度、电流、负压和电压等几项内容进行检测, 最后才通过故障警铃来报警[2];为了能及时发现潜在的一些问题, 需要司机每小时巡查一次并统计风机的各项主要运行参数。
2 系统具备的典型特点
(1) 因为测控系统 (PLC) 使用的是双CPU, 所以它能快速且准确的完成实时监控和监测的功能[3]; (2) 系统的伸缩性很强, 能根据现场的实际需求进行更加灵活的配制; (3) 上位机使用的软件系统是冗余组态软件, 从而增加了系统的安全性可靠性 (4) 对WEB化和网络化现象进行实时测控[5]。
3 对功能需求进行分析
煤矿中所应用通风机系统的功能主要体现在以下几个方面: (1) 为了保障系统的安全, 具备自动闭锁控制的功能; (2) 具备手动、远程和现场控制等控制方式; (3) 能很好地控制风机的启和停、风门的开和关; (4) 对风机启停状态、风门的位置、电机的编号、反风信号等风机运行时呈现出的各种信息状态进行检测; (5) 能实时有效的监测风机的电流、电压、电网、轴承温度、风量风速等风机运行时的各项参数[1,3]。
煤矿通风机系统的软件的功能包括以下几方面:支持远程的网络控制以及浏览;自动的产生内容详实的各种类型的报表;通过超限报警来监测各项参数;通过各种方式生动形象且直观的处理、接收、存储、PLC系统直接上传的各种数据[2,4]。
(1) 系统组成方面:本系统主要是由通讯装置、显示器、供电装置等组成的, 他以PLC为主核心[5]。信号测取装置和传感 (变送) 器主要包括取压装置、模拟量温度采集器、压力变送器和采集器等。电流/电压变换和滤波环节构成了信号转换和采集装置[5]。通讯装置主要包括10mbps/100mbps自适应网卡。供电装置主要包括交流稳压电源[1,2]。 (2) PLC的硬件结构:S7―300PLC的硬件主要由CPU、电源模块、通信模块、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块组成[3]。 (3) PLC的软件结构:为了满足复杂的监控要求, S7―300PLC的软件采用了模块化结构, 而且各控制模块之间相互嵌套, 主循环程序包括有条件调用程序模块;当调用一次主循环程序模块OB1, 就必须调用一次无条件程序模块;而对于有条件调用程序模块的调用, 只有在发生异常故障时[4]。采用不同的处理方式利用2种程序模块, 可有效缩短程序处理时间, 大大提高系统效率[5]。 (4) 系统的工作原理:该系统由各种各样的外围设备构成, 同时以PLC为其核心元件, 来完成数据的分析和采集等工作任务, 这些都是在软件的控制下完成的, 完成后要将数据上传到指定的地点;风机运行参数需要在线处理和测量的是风机的风速、入口静压、流量、转速、电机正常情况下的震动烈度、轴承温度、功率和进出气体温度等[2]。
5 实现系统的功能
监测相应的电气参数:配套电机的电压、电流、功率因数和功率等参数均是电器参数的内容。监测气体的流量:对风机振动进行检测, 即通过电磁电式振动速度传感器, 对风机轴承振动绝对峰-峰值进行连续监视;监测转速:采用霍尔效应对转速进行检测[1];信号采集与转换:由各种集成化模块将数据采集后送PLC进行处理, 最后由计算机显示;以开关电源为传感器和变送器提供直流电源方式来实现系统供电[1,4]。
6 总结
作为我国煤矿安全生产必备的设备之一, 通风机不仅被称为“矿井的肺腑”, 还承担有以下重任:排出井下的污浊气流和粉尘、把新鲜的空气输送到井下[5]。由于井下工作环境恶劣, 主通风机工作电压较高, 电流较大, 出现故障的可能性也比较大[1]。应该逐步实现矿井中主要通风机的状态和性能的实时监测, 便于在以后的安全生产过程中及时获取通风机的各项资料数据[2]。煤矿井下主通风机在线监控系统集保护、检测、控制于一体, 能实现风量的精准调节, 还能进行故障诊断, 预测使用寿命, 预报维修极限, 成功地对风机进行检测, 有效地保证了矿井通风系统的安全运行, 完全满足井下对主通风机自动化监控系统的要求[4]。
摘要：煤矿风井传统停风倒机模式下存在井下倒机时间较长、短暂停风等问题, 从而引起瓦斯超限等问题, 直接影响生产的安全。由于当前的检测系统无法及时准确地把握系统运行的情况, 从而无法实现对远程信息化的及时监控。某煤矿对利用网络信息化和热备用倒机技术的研究, 以高性能的工控机和S7-300PLC为核心, 组合高精度的传感器, 实现对矿井主通风机的在线监控。结果表明, 该系统不仅实现了远程控制和在线监测, 而且精准地完成不停风自动倒台, 不仅缩短了倒机时间、杜绝了因风机正常倒机可能引起的瓦斯超限事故, 而且大大提升了矿井主通风系统的运行管理水平。
关键词：主通风机在线检测远程控制
参考文献
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[3]刘明谭, 等.煤矿通风机在线监控系统的研究与应用[J].2012 (6) :29-34.
[4]何志成.煤矿通风机安全监测数据无线扩频传输系统研究[D].湖南科技大学, 2012.
矿井通风机振动故障诊断分析 篇7
据统计, 我国煤炭工业生产中, 因矿井通风设备而发生的事故中, 机械事故占通风机组事故的68.9%, 尽管一部分事故因有备用通风机而未造成严重后果, 但还有一些事故既影响了生产, 又造成了惨重的伤亡。因此对煤矿通风设备进行状态监测与故障诊断是急需研究解决的问题。故障诊断技术在煤矿的推广应用, 不仅可预防突然事故的发生, 保证煤矿的安全生产, 而且可带来明显的经济效益和社会效益。
国外一些国家在20世纪80年代就开始了通风机的故障诊断研究工作, 如德国对离心机叶轮腐蚀损伤进行了预测研究;英国、前苏联利用振动诊断法对风机进行了初期故障诊断;日本研制了风机的故障诊断系统及便携式振动分析仪, 用于推断风机故障的原因。国内对通风机的研究近年来也得到了快速发展, 如冶金行业对烧结风机、脱水风机、冶炼厂尘风机、煤气风机等进行了振动测试和分析;石油化工行业也对鼓风机进行了早期故障的诊断研究。
我国对矿井通风机状态监测和故障诊断技术的研究和应用还远远不够, 通常仅限于对轴承温度进行监测, 而对占通风机故障60%以上的其他故障未能进行有效的监测, 极易造成事故。因此, 对矿井通风机进行状态监测和故障诊断具有十分重要的意义。
矿井主通风机有离心式和轴流式2大类型, 属于典型的旋转机械, 矿井通风机装置的性能直接影响井下巷道风量的大小。风量过大, 会使人员行走困难, 影响听觉;井下湿度较大, 风速过高, 容易导致工人患风湿病症, 使通风系统经济性降低。工作运行中的振动是影响风机安全运行的关键因素之一。煤矿安全规程要求, 矿井主通风机在使用过程中应定期进行振动性能测试, 以保证设备高效、安全、经济的运转。因此, 应用振动参数进行故障诊断, 减少风机事故的发生是十分必要的。
1 风机振动频率特征
(1) 转子不平衡。主要有风机转子系统质量偏心及风机部件出现缺损。
(2) 轴线不对中。由于机器的基础沉降不均, 造成转子轴线产生平行移位、轴线角度移位或综合移位等, 故障的特征频率多为2倍频。
(3) 喘振。当风机在不稳定区工作时, 其流量在瞬间内发生不稳定周期性反复变化的现象。具有出口风压下降摆动、风机声音异常、噪声大、振动大、机壳温度升高等特征。相对来讲轴流式风机更容易发生喘振, 严重的喘振会导致风机叶片疲劳损坏, 对机械危害极大。
(4) 机座松动。因螺栓松动、软脚或过大的间隙, 造成机座松动, 通常表现为多频率的振动。特征频率为2倍频, 伴有1、3、4、5、6倍频甚至更高频。
(5) 轴承损坏。轴承损坏的主要原因是轴承偏心和点蚀引起的相应冲击。其特征频率为1倍频, 伴有超低频和高频。
(6) 油膜涡动。油膜涡动是由滑动轴承油膜力学特性引起的自激振动。特征频率略小于转子转速的1/2, 并随转速的升高而升高, 常伴有1倍频。
(7) 转子与静止件摩擦。由轴挠曲、转子与静止件热膨胀不一致、转子对中不良等原因引起。特征频率为高次、低次及混合谐波, 常伴有1倍频。
(8) 转轴横向裂纹。转子系统由于疲劳而出现横向裂纹, 特征频率为2倍频。
2 故障现象
河南某集团公司所属一煤矿西风井有2台G4-73-11.28D型离心式风机, 各配有1台YR1250-8/1430型电动机, 额定电压6 k V, 功率1 250 k W, 转速730 r/min, 1台工作, 1台备用。其中1台于2010年8月出现电动机噪声增大, 其轴承振幅逐渐增大, 高达60 m, 电动机驱动端轴承振幅轴瓦温度达80℃。为查找设备问题, 消除隐患, 采用TV310型振动数据采集器, 对轴承的振动频谱及相位数据进行收集, 并进行必要的细化分析, 进而查找故障部位及原因。
3 故障分析
从电动机和风机驱动端轴承入手, 分别对其振动进行布点、数据采集、频谱分析, 明确问题的来源, 查找故障原因。
3.1 电动机轴承的频谱分析
分别采集电动机轴承盖的水平、垂直、轴向3个方向运转状态下的数据。得出转速730 r/min, 频率24.83 Hz时电动机驱动端水平方向振动频谱图如图1所示, 电动机非驱动端的轴向振动频谱图如图2所示。由图1可以明显地看出, 电动机驱动端水平方向以1倍频和2倍频分量为主要分量, 多数情况超过1倍频分量, 2倍频下的振幅约为1倍频下振幅的2倍, 3倍频以上工作频率下的振幅较小。从图2可以看出, 电动机非驱动端轴向以1倍频振动为主。通过频谱比较分析, 发现水平1倍频均超标, 并伴有2倍频、3倍频、4倍频等工作频率下的振动, 且2倍频基频谐波较突出, 说明联轴器对中有问题;风机的振动幅值随负荷的增加而升高现象比较明显, 可以推断风机与电动机间齿型联轴器存在对中问题, 角向不对中问题突出。因此, 可判断联轴器对中故障是电动机异常振动的原因。
3.2 时域波形分析
图3是电机转速为730 r/min, 频率为24.82 Hz时电动机驱动端轴承水平方向振动时域波形图。图3中显示原始振动信号的正弦波, 当电机转子每转动1圈时, 电机转子出现2次跳跃, 跳动幅值较大, 由此可进一步推断电机与风机之间的联轴器对中存在严重缺陷。
3.3 联轴器故障分析
载荷的变化会引起轮齿刚性的变化, 从而引起轮齿的振动, 这种振动通常称为啮合振动。在正常情况下, 啮合振动是较近似于简谐振动的小幅值振动, 该振动在频谱图上会出现啮合频率及其各次谐波成分。由于轴系中心扰动较大, 因此, 电动机气隙变化也较大, 其轴承振动信息的时域波形显示出了磁隙中心很不稳定。
图4是转速为730 r/min, 频率为24.82 Hz时测取的电动机驱动端水平方向高频频谱图。图中频率是以齿轮轴的旋转频率为基本频率, 预示齿轮存在齿轮偏心、局部断或裂纹等故障。从电动机驱动端轴承水平方向高频频谱可以判断齿型联轴器存在裂纹。因此, 综合分析表明, 电动机与风机之间的齿型联轴器存在断齿和裂纹, 且联轴器裂纹是引起振动幅值随负荷显著变化的根本原因。
根据分析判断, 决定更换联轴器。拆卸后发现联轴器外部齿套存在1条与轴线成45°角的裂纹, 已贯穿齿套轴向1/3位置, 内齿已断裂多个且多数齿锈蚀。重点作了以下工作:更换齿型联轴器并重新找中心, 联轴器拆除及复装过程中为避免转子弯曲, 联轴器中心应符合规定技术标准 (检查轴瓦磨损情况, 调整轴瓦间隙符合标准) ;调整齿型联轴器的齿顶间隙及侧隙符合要求, 内部齿用油脂充分填充;更换齿型联轴器轴端密封件, 保证油脂密封可靠。
4 结语
(1) 设备故障是随机的, 应当采用概率统计方法分析故障的分布规律。 (2) 复杂系统和复杂的故障可以采用逐步分析的方法, 以找出故障发生的机理, 从而找出故障的发生和发展的过程, 并为设备维修管理和使用的科学性提供依据。 (3) 设备维修已不仅仅只限于对设备故障的修理和平时的一般性保养, 现代的设备维修概念要对产品进行不断的改造和更新, 这才是设备维修的最佳选择。矿井通风机是保证矿井安全生产的核心设备, 振动诊断技术应用到矿井通风机安全运转管理中, 对其可能出现的故障现象进行监测、诊断和分析, 能实现故障预报, 提高故障诊断的准确性, 对保证设备可靠运转、积累维护经验、减少运行成本、延长使用寿命具有十分重要的意义。
参考文献
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[3]吴其海.旋转机械滚动轴承强烈振动的动态监测与故障分析.河北化工, 2008 (4)
[4]邓克, 方庆琯, 叶维明, 刘丽萍.矿山机械液压系统的故障及诊断.金属矿山, 2006 (5)
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