CN102444606A - 矿井回采工作面风压动态平衡的风机变频控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

矿井回采工作面风压动态平衡的风机变频控制系统及方法，包括交流变频器控制台、对旋轴流风机、一氧化碳传感器、风速传感器、压差传感器、本安电源和本安接线盒，交流变频器控制台有两套交流变频器，变频器、对旋轴流风机和本安电源布置在进风巷内，风速传感器1布置在进风巷，压差传感器、风速传感器2布置在回风巷，两个一氧化碳传感器布置在回风隅角区域。实时监测一氧化碳含量、风量、风压等数据，并自动控制回采工作面通风量，使回采工作面与周围环境风压自动达到动态平衡，实现多层采空区相互连通情况下回采工作面的安全生产，提高了劳动效率、精确程度和安全程度，采用变频驱动风机，具有节能效果，具有广泛适用性，有社会效益和经济效益。

Description

矿井回采工作面风压动态平衡的风机变频控制系统及方法

技术领域

本发明涉及矿井灾害防治领域，特别涉及矿井回采工作面风压动态平衡的风机变频控制系统及方法。

背景技术

[0002] 煤炭自燃不仅烧毁了宝贵的资源，产生大量的CO、CO₂和SO₂等有毒有害气体，危害工人的健康和生命，污染环境，还能够诱发瓦斯、煤尘爆炸事故的发生，是阻碍煤矿安全生产的重大灾害。实现风压平衡防止有害气体涌入与漏风是预防煤炭自燃灾害的有效手段之一。

大同矿区开采历史悠久，近年来开采量逐年大幅上升，长期主采煤层为侏罗纪易自燃近距离煤层群。采用全部垮落法处理顶板，由于顶板坚硬整体性强，采空区内压实程度低，存在大量相互连通的空隙。在回采下部煤层时将使本层与上部多个煤层的采空区相互连通，甚至与地表连通，加之井田范围内小煤窑私挖乱采并与大矿贯通，形成的漏风通道更加复杂繁多。在压差通风条件下，多层采空区流场内的有害气体流入工作面危害作业人员的安全。为保证工作面的安全，可使用给工作面升压的方法防止采空区有害气体涌入，但过多给工作面升压，又可能由于大量新鲜空气涌入引发采空区遗煤的自燃和瓦斯爆炸。并且由于多层采空区与地表连通，气压随时间不断变化，且回采工作面不断推进，升压并不恒定。因此，如何能够实现随工作面气压变化而动态的升压，并且控制升压的幅度是问题的关键。

一般的升压实现平衡的方法是局部通风机全速运转,通过人工监测的方式来观测工作面风压与周围环境压差的变化，调整风压则是通过调整风门、挡板来实现，如图1所示。具体步骤为：

1、启动升压平衡通风系统前，工作面所有作业人员全部撤出，并将切断工作面所有电气设备电源。

2、启动局部通风机（备用均压风机出风口自动切换挡风板必须关闭严密），救护队员同时关闭工作面进风巷和工作面回风巷风门。

3、通过人工调节回风巷风门墙上调节风窗的面积调节工作面的风量和压力，使工作面有毒有害气体不超限。

4、根据U型压差计，人工控制工作面与周围环境的压差在一定范围，使工作面风压始终高于周围环境风压，但不能任意高。

5、经救护队员检查、确认工作面CH₄浓度小于1.0%、CO₂浓度小于1.5%、CO浓度小于24ppm且O₂浓度大于18%时，方可给工作面送电。

人工调节的方法需要人为读取CO浓度与压差监测数据，并采用手动调整风窗面积大小，由于条件限制这几项工作并不能同时进行，并存在较大误差，而且存在明显的延迟性，在某一时刻调整风压平衡以后，如周围环境气压发生变化，升压系统并不能做出及时调整，必须在人工检测发现以后再被动的进行，这也为安全生产埋下隐患。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种矿井回采工作面风压动态平衡的风机变频控制系统，包括交流变频器控制台、对旋轴流风机、一氧化碳传感器、风速传感器、压差传感器、本安电源和本安接线盒，交流变频器控制台有两套交流变频器，变频器、对旋轴流风机和本安电源布置在进风巷内，风速传感器1布置在进风巷，压差传感器、风速传感器2布置在回风巷，两个一氧化碳传感器布置在回风隅角区域，为达到可靠控制目的，两套一氧化碳传感器互为验证，保证采集数据可靠性。

为达到可靠供电，由两个不同的动力中心分别提供一路动力电源，经过自动电源切换装置，分别连接两套变频器。动力电源经变频器整流单元、逆变驱动单元电路，输出两组动力变频电源，分别接入对旋轴流风机两组电机。沿巷道布置屏蔽通信电源电缆，一氧化碳传感器、风速传感器、压差传感器均采用总线方式并联连接，RS485通信信号电缆将所有传感器以通讯方式接入变频器控制台的PLC，本安电源集中为传感器并联供电。变频器是均压调节驱动和控制核心单元，风机是均压调节风源，压差传感器用于回风巷和顶部采空区测量风压差，风速传感器分别用于测量进风巷进风量、回风巷出风量，一氧化碳传感器测量工作面上隅角一氧化碳含量。

采用上述系统进行风机变频控制的方法，具体步骤如下：

步骤1：风速传感器实时采集进风巷和回风巷风量数值，调整调节风门面积，保证供风量在工作面需风量要求范围内；

步骤2：一氧化碳传感器实时采集回风巷气体一氧化碳含量，压差传感器实时采集回风巷风门内与顶部采空区压差，监测风压动态平衡；

系统各传感器通过RS485总线传送实时测量数值，与变频器控制台PLC通信，测量数值在控制中心屏幕显示，测量值超过传感器内部设置报警阈值，则现场声光报警，在控制中心显示屏上集中显示报警信息并记录；

步骤3：判断两组一氧化碳传感器测量值有效性并输出；

一组测量值突然增大时，通过5秒延时，重新读取两组测量值，两组值偏差依然较大，则以变化比较恒定的测量值为准；若两组值偏差变小，则再次通过5秒延时读取测量值，以三次数值中最为接近的两次数值取平均值作为准；

步骤4：变频器控制台PLC实时监测各个传感器测量数值；

具体地：人工控制变频器开启风机，当O₂传感器、CO₂传感器、CH₄传感器分别超出各自允许值≤18%、≥1.5、≥1的范围10s以上，输出报警；如无报警，至测量点压差稳定在预置值之内时，记录变频器输出频率X，设定其为变频器的启动频率。变频器以启动频率开启风机，直至测量点压差稳定在预置值1~3mmH₂O之内，记录风机的运行时间S。在测量点压差稳定的前提下，根据风机出风口至测量点的长度距离和风速，估算出风机风能从出风口作用至测量点的时间T。记录此时的测量点压差数据D，人工控制变频器，微调输出频率，时间T后查看测量点数据，直至测量点数据稳定且与D相差W，W取值在1~3mmH₂O之间，记录步长C=｜输出频率－启动频率｜；

步骤5：调节变频器输出功率；

在启动频率下启动变频器，持续工作时间S。每隔1秒采集一次压差数据，存入堆栈。共采集10个数据，滤波后取平均值V。如果V<1mmH₂O，变频器输出增大C；如果V>3mmH₂O，变频器输出减小C。时间T后，再次判断V，如果V处于预置值内，变频器在稳定频率下恒定送风。同时检测CO测定值P，在控制中心预置一氧化碳最低阈值24ppm。如果P>24ppm，则变频器输出增大C；若V处于3±W区间内，P>24ppm且持续10秒，则报警并记录。为避免压差传感器故障而导致的变频器输出极大或极小，设定变频器输出的频率上限Hmax和下限Hmin，在变频器输出到达限值时依然不能将压差控制在预置值之内，报警并记录。

 有益效果：通过本发明的风机变频控制方法，实时监测回采工作面的一氧化碳含量、风量、风压等数据，并实时自动控制回采工作面通风量，使回采工作面与周围环境风压自动达到动态平衡，实现了多层采空区相互连通情况下回采工作面的安全生产。该项发明①提高了劳动效率。人员投入较少，节约了成本。②提高了精确程度。通过采用自动变频调速技术，减少了风流控制中人为因素的影响，使监测、调节、控制同时进行，准确性明显提高。③提高了安全程度。通过采用自动变频调速技术，能够实时对周围环境变化进行监测并及时作出调整，使工作面安全程度得到提高。同时采用变频驱动风机，具有节能效果。其工作可靠，使用方便，具有广泛适用性，有社会效益和经济效益。

附图说明

图1是升压平衡系统示意图；

图2是本发明实施例系统设备布置示意图；

图3是本发明实施例系统连接关系图；

图4是本发明实施例变频器控制原理框图；

图5是本发明实施例CO传感器控制原理框图；

图6是本发明实施例压差传感器控制原理框图；

图7是本发明实施例变频器电气原理图；

图8是本发明实施例变频控制方法逻辑控制关系图；

其中，1-变频器，2-对旋轴流风机，3-本安电源，4-CO传感器，5-风门，6-风速传感器，7-回采工作面，8-压差传感器，9-通向上部采空区，10-风机，11-U型压差计，12-调节风门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的矿井回采工作面风压动态平衡的风机变频控制系统，包括交流变频器控制台、对旋轴流风机、一氧化碳传感器、风速传感器、压差传感器、本安电源和本安接线盒，交流变频器、对旋轴流风机和本安电源布置在进风巷内，风速传感器Ⅰ布置在进风巷，压差传感器、风速传感器Ⅱ布置在回风巷，两个一氧化碳传感器布置在回风隅角区域。系统设备布置如图2所示。变频器控制原理如图4所示，CO传感器控制原理如图5所示，压差传感器控制原理如图6所示。

在进风巷风门外布设THQ15型变频器控制台，其中变频器1为BPJ3型，FBDNo型对旋轴流风机2和KDW26型本安电源3；在工作面上隅角布设KGA5型一氧化碳传感器Ⅰ和KGA5型一氧化碳传感器Ⅱ；在进风巷内侧布设GFW15型矿用风速传感器Ⅰ6，在回风巷布设GFW15型矿用风速传感器Ⅱ6；在回风巷调节风门外侧布设KGY3A型矿用压差传感器8。系统连接关系如图3所示。

三相660V电源接入到变频器电源输入端，两组三相变频电源输出分别接入对旋轴流风机两组电机的电源端。单相127V电源接入本安电源交流输入端，本安电源输出接入到接线盒中，同时变频器RS485两芯通信线也接入到接线盒中。沿巷道布设四芯屏蔽通信电缆，一氧化碳传感器、风速传感器和负压传感器均采用总线方式接入系统，在各传感器接入点需设三通接线盒连接。两台一氧化碳传感器应安装在工作面的上隅角，且位置靠近，风速传感器安装在巷道的风速均匀位置。变频器电气原理如图7所示。

采用上述系统进行风机变频控制的方法，逻辑控制流程如图8所示，具体步骤如下：

步骤1：风速传感器实时采集进风巷和回风巷风量数值，调整调节风门面积，保证供风量在工作面需风量要求范围内；

步骤2：一氧化碳传感器实时采集回风巷气体一氧化碳含量，压差传感器实时采集回风巷风门内与顶部采空区压差，监测风压动态平衡。系统各传感器通过RS485总线传送实时测量数值，与变频器控制台PLC通信，测量数值在控制中心屏幕显示，测量值超过传感器内部设置报警阈值，则现场声光报警，在控制中心显示屏上集中显示报警信息并记录；

步骤3：两组一氧化碳传感器中的一组测量值突然增大时，通过5秒延时，重新读取两组测量值，两组值偏差依然较大，则以变化比较恒定的测量值为准；若两组值偏差变小，则再次通过5秒延时读取测量值，以三次数值中最为接近的两次数值取平均值作为准；

步骤4：变频器控制台PLC实时监测各个传感器测量数值；

具体地：人工控制变频器开启风机，当O₂传感器、CO₂传感器、CH₄传感器分别超出各自允许值≤18%、≥1.5、≥1的范围10s以上，输出报警；如无报警，至测量点压差稳定在预置值之内时，记录变频器输出频率X，设定其为变频器的启动频率。变频器以启动频率开启风机，直至测量点压差稳定在预置值之内，记录风机的运行时间S。在测量点压差稳定的前提下，根据风机出风口至测量点的长度距离和风速，估算出风机风能从出风口作用至测量点的时间T。记录此时的测量点压差数据D，人工控制变频器，微调输出频率，时间T后查看测量点数据，直至测量点数据稳定且与D相差W，W取值在1~3mmH₂O之间，记录步长C=｜输出频率－启动频率｜；

步骤5：调节变频器输出功率；

具体地：在启动频率下启动变频器，持续工作时间S。每隔1秒采集一次压差数据，存入堆栈。共采集10个数据，滤波后取平均值V。如果V<1mmH₂O，变频器输出增大C；如果V>3mmH₂O，变频器输出减小C。时间T后，再次判断V，如果V处于预置值内，变频器在稳定频率下恒定送风。同时检测CO测定值P，在控制中心预置一氧化碳最低阈值24ppm。如果P>24ppm，则变频器输出增大C；若V处于3±W区间内，P>24ppm且持续10秒，则报警并记录。为避免压差传感器故障而导致的变频器输出极大或极小，设定变频器输出的频率上限Hmax和下限Hmin，在变频器输出到达限值时依然不能将压差控制在预置值之内，报警并记录。

Claims (2)

1.一种矿井回采工作面风压动态平衡的风机变频控制系统，其特征在于：包括交流变频器控制台、对旋轴流风机、一氧化碳传感器、风速传感器、压差传感器、本安电源和本安接线盒；

交流变频器、对旋轴流风机和本安电源布置在进风巷内，风速传感器1布置在进风巷，压差传感器、风速传感器2布置在回风巷，两个一氧化碳传感器布置在回风隅角区域；

由两个不同的动力中心分别提供一路动力电源，经过自动电源切换装置，分别连接两套变频器，动力电源经变频器整流单元、逆变驱动单元电路，输出两组动力变频电源，分别接入对旋轴流风机两组电机；沿巷道布置屏蔽通信电源电缆，一氧化碳传感器、风速传感器、压差传感器均采用总线方式并联连接，通信电缆将所有传感器以通讯方式接入变频器控制台的PLC，本安电源集中为传感器并联供电。

2.采用权利要求1所述的矿井回采工作面风压动态平衡的风机变频控制系统进行风机变频控制的方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1：风速传感器实时采集进风巷和回风巷风量数值，调整调节风门面积，保证供风量在工作面需风量要求范围内；

步骤2：一氧化碳传感器实时采集回风巷气体一氧化碳含量，压差传感器实时采集回风巷风门内与顶部采空区压差，监测风压动态平衡；

系统各传感器通过RS485总线传送实时测量数值，与变频器控制台PLC通信，测量数值在控制中心屏幕显示，测量值超过传感器内部设置报警阈值，则现场声光报警，在控制中心显示屏上集中显示报警信息并记录；

步骤3：判断两组一氧化碳传感器测量值有效性并输出；

一组测量值突然增大时，通过5秒延时，重新读取两组测量值，两组值偏差依然较大，则以变化比较恒定的测量值为准；若两组值偏差变小，则再次通过5秒延时读取测量值，以三次数值中最为接近的两次数值取平均值为准；

步骤4：变频器控制台PLC实时监测各个传感器测量数值；

具体地：人工控制变频器开启风机，当O₂传感器、CO₂传感器、CH₄传感器分别超出各自允许值≤18%、≥1.5、≥1的范围10s以上，输出报警；如无报警，至测量点压差稳定在预置值之内时，记录变频器输出频率X，设定其为变频器的启动频率；变频器以启动频率开启风机，直至测量点压差稳定在预置值之内，记录风机的运行时间S；在测量点压差稳定的前提下，根据风机出风口至测量点的长度距离和风速，估算出风机风能从出风口作用至测量点的时间T，记录此时的测量点压差数据D，人工控制变频器，微调输出频率，时间T后查看测量点数据，直至测量点数据稳定且与D相差W，W取值在1~3mmH₂O之间，记录步长C=｜输出频率－启动频率｜；

步骤5：调节变频器输出功率；

在启动频率下启动变频器，持续工作时间S，每隔1秒采集一次压差数据，存入堆栈，共采集10个数据，滤波后取平均值V；如果V<1mmH₂O，变频器输出增大C；如果V>3mmH₂O，变频器输出减小C；

时间T后，再次判断V，如果V处于预置值内，变频器在稳定频率下恒定送风；同时检测CO测定值P，在控制中心预置一氧化碳最低阈值24ppm，如果P>24ppm，则变频器输出增大C；若V处于3±W区间内，P>24ppm且持续10秒，则报警并记录；

为避免压差传感器故障而导致的变频器输出极大或极小，设定变频器输出的频率上限Hmax和下限Hmin，在变频器输出到达限值时依然不能将压差控制在预置值之内，报警并记录。

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