引言

煤矿开采作业会产生大量的粉尘和瓦斯气体，产生的粉尘与瓦斯气体不仅会严重危害作业人员的身体健康，而且还易引发爆炸危险，这就需要做好矿井通风工作，特别是近年来，综采工作面中使用了大型采掘设备，那么就增加了其设计长度，而且还增加了巷道掘进的断面积。这就对掘进工作面的通风工作提出了更高要求，一方面通风阻力更大所需的风量更大，另一方面对安全通风工作提出了更高要求。

1通风系统的设备

剖析通风系统的设备组成是优化矿井通风系统的前置条件，需要在正确认识矿井通风结构组成的基础上，开展通风系统相关的优化控制研究工作。从设备组成上看，矿井通风系统主要由三部分组成，即送风系统、回风系统和用风系统。送风系统和回风系统的动力来源是风扇产生的涡流或自然压力降，实现巷道内外部气体交换，只是两者对风力输送的方向不同，一个是向巷道内部送风，另一个是抽出巷道内有害气体。用风系统构成了矿井整体通风的主体，同时也是煤矿瓦斯治理的主要投资部分。从设备组成上看，用风系统包含许多控制井下有害气体流向和流速的设备，包括风门、风墙、风窗、挡风板、辅助风扇、测风站等，依据风在巷道内的路径，组成了一个结构复杂、犬牙交错的空间立体送风网络。

2系统框架

利用通风阻力测定结果，结合混合通风的结构要求，构建了基于PLC巷道通风自控系统框架，如图1所示。

图1基于PLC的巷道通风自控系统框架图

基于PLC的巷道通风自控系统主要包括通风机、气体监测传感器、PLC系统控制中心、服务端以及监控平台等。气体传感器用于监测巷道通风环境中一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氧气等气体的信息，并将所测气体成分、浓度等数据传输至PLC控制中心。PLC控制中心负责将采集风门、风窗、通风机、变频器以及巷道环境等数据信息反馈至服务端，并通过接收的服务端指令或内部指令集来对风机变频器进行闭环控制，在保证巷道通风的风量和风速的前提下，降低通风的能耗。

3矿井通风系统设计

3.1变频器设计

对于监控系统而言，变频器同样是非常重要的硬件设施，主要作用是根据指令输出不同频率的电压供电机使用，从而实现电机输出转速和通风机输出风量的有效控制，达到节能减排的效果。煤矿中使用的通风机通常会采用冗余设计，设置1台主通风机和1台备用通风机，而每台通风机又包含两部电机。因此1套通风系统通常包含4台电机，针对每台电机需要配备1台变频器。针对每台变频器需要配备1台配电柜，以保障变频器的可靠工作。

3.2控制流程

基于PLC的通风自控系统设计有远程和现场2种控制方式。远程控制通过监控平台或PC客户端来完成，利用千兆网络对通风设备进行自动或半自动控制。现场控制通过切换风机控制柜中控制手柄，来实现通风设备的自动、半自动或手动控制。风机自动控制方式基于初始所设定PLC程序，无需人工干预。

3.3故障报警子程序设计

对通风系统的故障问题进行监控是监控系统的重要功能之一，通过故障监测能够显著提升设备的运行可靠性。振动参数、温度参数、风量参数、电气参数以及压力参数等是通风系统运行过程中比较关键的参数。这些参数大小会对通风系统的运行过程产生重要影响。当传感器监测获得的数据信息在系统设定的安全范围以内时，认为不存在安全隐患;相反，当实际参数超过了系统设定的安全阈值范围时，则认为通风系统存在安全隐患，系统下达指令进行声光报警并且切断电源。如果故障在短时间内及时排除则系统继续正常运行，若故障无法排除则需要启动备用风机运行，并对主风机进行检修，排除故障。利用该程序可以及时发现通风系统运行中存在的安全隐患或故障问题，为设备的稳定可靠运行奠定了坚实的基础。

3.4评估矿井通风阻力分布

运用科学分析手段，及时评估矿井通风阻力分布，为煤矿通风系统优化控制策略研究提供可靠依据和科学方法。根据巷道通风阻力降的计算公式，将降低巷道内通风系统摩擦阻力作为优化控制策略的重要方向，从巷道长度、巷道表面光滑程度和巷道横截面积入手，显著减低巷道内摩擦阻力降。利用信息化技术，建立井下通风系统实时监测体系，以太网模块实现井下瓦斯气体浓度变化的传输，CAN总线实现计算机对井上井下仪器设备的网络调控，通过远程非接触式手段操控风机、通风构筑物、语音报警等设备，实现对井下瓦斯数据动态监测与反馈调节的同时，保障煤矿从业人员在安全通风环境下进行生产。

3.5风量调节子程序设计

针对通风机的风量调节，采用的控制策略为模糊PID控制技术，具有良好的控制效果。基于模糊PID控制技术的风量调节子程序的主要工作流程。该程序开始运行后，传感器对实际通风量进行采集，并与给定的风量大小进行对比，确定实际值与给定值之间的风量偏差e以及偏差变化率ec。将以上2个参数作为输入量，通过模糊PID控制器进行处理后，可以输出控制变量，变频器根据该变量对电机输出转速进行调整，实现通风量的有效控制。直到通风机停止运行时该子程序才会停止工作。

3.6不停风倒机控制系统设计

通风机不停风倒机方案的关键是按照倒机控制原理对相应控制系统进行设计。系统采用远程控制模式，通过上位机下达控制指令远程控制井下风门开合及通风电机的启停及调速控制，从而实现倒机过程中的风量及瓦斯浓度恒定。控制系统采用PLC可编程控制器作为控制核心，通过接收上位机控制指令对风门步进电机及通风电机进行控制，控制算法由上位机软件部分实现。控制系统设计采用模块化思想，将系统整体分为上位机监控平台、PLC控制模块、通讯模块及现场设备四部分。上位机通过智能控制算法对PLC下达控制指令，实现对通风电机及风门步进电机的远程控制，同时上位机还具备现场监测功能，通过现场位移传感器、瓦斯传感器实时监测风门开合位置及瓦斯浓度等数据。系统主控模块采用双PLC控制结构，由一台PLC控制四个步进电机调整风门开合角度，另一台PLC对主备两台通风电机进行控制，完成倒机操作。为了实现远程控制，系统采用工业以太网+ＲS485组合通信方式对通信网络进行架构，系统上位机监控平台通过以太网与PLC实现通信，用于数据及控制指令的上传下达，PLC主控器与低压配电柜各类仪表及现场传感器采用ＲS485实现通信。

结束语

矿井通风技术作为煤矿瓦斯治理的常用手段，井下巷道长度增加过快、巷道通风网络复杂化、巷道内堆积多种构筑物都会造成井下通风过程阻力的增加。为此，需要煤矿管理人员高度重视矿井通风工作，及时评估井下通风阻力降低分布区域，引入先进的矿井通风控制系统，优化井下巷道通风网络，加强井下通风管理工作，努力提高煤矿通风系统运行效率和管理水平，为维护煤炭企业安全生产工作提供坚实保障。

参考文献

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