1变频器选型设计
FBD系列煤矿用防爆压入式对旋轴流局部通风机的负载特性属于平方转矩负载，负载转矩与转速成平方关系，当负载转矩增大时，电机的转速将相应的按平方增大，负载特性曲线与抛物线相似。正是因为这种平方关系，负载所需功率(P=Tω)与转速之间形成了三次方的关系，即P∝n3。通常风机类负载多是根据满负荷工作需用量来选型，实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态，当所需风量、流量减小时，利用变频器调节转速，只要转速稍微下降一点，负载功率就下降得很快，从而可以大幅度地节约电能。设计的系统选用ABB公司的ACS800系列变频器。该系列变频器最大的优点就是在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如启动向导，自定义编程，DTC控制，通用备件，通用的接口技术，以及用于选型、调试和维护的通用软件工具。使得用户可以非常方便地使用这个系列中各个型号的变频器，通用性非常灵活。
2系统PLC控制部分设计
在矿井局部通风系统中，PLC结合变频控制技术的引入，极大地提高了矿井通风系统的自动化程度。在风机发生故障，数台风机需要进行替换运行，或风机需要进行定频运行与变频运行模式切换时，PLC可进行良好的组合逻辑控制，快速实现风机自动的调换与故障隔离。在风机的控制过程中，PLC需要获取控制对象的状态信息，如瓦斯浓度等，这些由传感器反馈信息值往往是模拟量，PLC内部无法直接提取模拟值进行逻辑数值运算;而且，一般外围设备的直接控制量也是模拟量。此时，PLC的数模转换功能就派上用场了，其将外部输入的模拟量转换成数字量，以供PLC内部进行逻辑比较、数值计算;将内部输出的数字量转换成模拟量，以对外围设备进行控制。本课题选用成熟的西门子S7－200型PLC。
3瓦斯传感器选型设计
瓦斯传感器是局部通风系统中一个关键设备，对煤矿的安全生产起着至关重要的作用，传感器的精度与好坏直接影响着矿井掘进巷道中工作人员的安全与否。本系统选用GJC4(B)型低浓度瓦斯传感器。该传感器具有半自动调零、调满度、设置报警点和断电点，所有功能均可通过红外遥控调试，并且具有超限声、光报警、超限断电信号输出功能。本系统直接将GJC4(B)型传感器传回的1～5mA直流信号直接接到EM235模拟输入口，无需再设计电流转换电压信号电路。根据《煤矿安全规程》中第170条对瓦斯传感器的设置规定，加上本设计系统为矿井局部通风系统，且采用单级通风的方式，为了获得更好的控制效果，本设计中的瓦斯传感器的安装位置选在掘进工作面附近(与掘进工作面的距离小于5m，一般取3～5m)和掘进巷道回风流中(与掘进巷道口的距离小于15m，一般取10～15m)以及回风巷中(与掘进巷道口的距离小于15m，一般取10～15m)。将安装在掘进工作面附近的瓦斯传感器命名为T1，安装在掘进巷道回风流中瓦斯传感器命名为T2，安装在回风巷中的瓦斯传感器命名为T3。瓦斯传感器T1、T2和T3在矿井局部掘进巷道中的布置如图1所示。
4掘进面瓦斯自动排放技术
在本设计系统中，瓦斯浓度传感器T3有两个自动运行模式切换上限、下限设定值，同时设定传感器T1、T2、T3的报警、断电浓度值。系统的基本控制流程如图2所示。在自控通风模式下，系统依据瓦斯浓度传感器T1和T2的值，通过模糊控制器(模糊控制算法)，正向自动调节变频器输出频率，即传感器T1和T2的值比给定值高(低)得越多，变频器输出频率就越高(低)。从而自动调节通风机出气量，并且变频器输出频率控制在20～50Hz范围内。当瓦斯浓度传感器T3的值超过了上限设定值，系统自动由自控通风模式转到自控排瓦斯模式，此时，系统依据T3的值，通过模糊控制器，反向自动调节变频器输出频率，即传感器T3的值比给定值高得越多，变频器输出频率就越低，并且变频器输出频率控制在10～50Hz范围内。待T3值小于下限设定值时，系统又自动由自控排瓦斯模式转换到自控通风模式，依据T1和T2的值进行自动调节。不管在哪种控制模式下，当T1、T2、T3中任意一个传感器的值超过了报警浓度值，系统都会发出声光警报。在浓度低于报警值时，警报自动解除。如果三个传感器中任意一个的值在超过报警值后仍继续增大，一旦达到或超过断电值，系统将会停机，切断动力电供应。
5系统PLC程序设计
本设计通过PLC程序实现模糊控制器控制功能以及相关附加控制功能。即自控通风功能，自控排瓦斯功能，手/自动切换功能，瓦斯超限(报警值)报警功能，瓦斯超限断电功能等。由主程序模块、子程序模块和中断程序模块构成，程序执行时通过在主程序中调用子程序和中断程序完成相关控制功能和任务。子程序模块包含初始化子程序、EM235模块检查子程序、瓦斯浓度T1采样子程序、瓦斯浓度T2采样子程序、瓦斯浓度T3采样子程序。中断程序模块只包含输出电压模糊控制表查询定时中断程序。主程序主要完成各子程序的调用，相关参数的设置，瓦斯浓度过高报警，瓦斯浓度超限断电，以及风机手/自动运行的切换，如图3所示。主程序运行时首先判别风机是自动变频还是手动变频运行，若都不是则工频运行。若是自动变频运行，则通过首次扫描为ON的初始化脉冲SM0．1调用子程序1进行初始化，通过常ON的SM0．0调用子程序2检测EM235模块是否连接有误。有误则主程序结束，无误则直接调用3个瓦斯浓度采样子程序2、3和4，获取实时的瓦斯浓度值T1、T2和T3，以供中断程序1进行模糊控制查表使用。本设计中中断控制时间为500ms，即每500ms系统更新一次输出。最后判别瓦斯浓度是否达到断电值，若达到，则系统断电，主程序结束。若正常，再判别是否达到报警值，若达到则声光报警再输出变频器控制电压，若正常，则直接输出变频器控制电压，主程序结束。
6系统实验
掘进工作面局部通风机智能控制系统是一个闭环控制系统，它的主要功能是通过井下传感器、井下分站采集的参数来确定供风量的多少，避免了现有局部通风机供风的“一风吹”现象，从而解决矿井局部通风按需供风的问题。系统从安全和节能的要求出发，采用PLC与变频器组成控制系统，对风机转速实时调控，从而使矿井局部通风、瓦斯自动排放高效安全，降低瓦斯事故，节能省电。本系统利用S7－200仿真软件进行PLC控制部分的输入输出的仿真，仿真界面如图4所示。在程序运行过程中，设置3个瓦斯浓度传感器反馈回来的模拟输入电流值AI0或AI2或AI4，使其超过报警浓度值，如，输出寄存器位Q0．4为1，系统声光报警信号输出有效，能正常实现报警功能。设置模拟输入电流值AI0或AI2或AI4，使其超过断电浓度值，实现了报警功能，同时，输出寄存器位Q0．1为1，断电信号输出有效，系统将会断电停机。拨下声光报警测试开关5，输出寄存器位Q0．4为1，系统声光报警信号输出有效，报警功能正常。通过煤矿局部通风机智能控制系统的运行与测试，系统能够实现瓦斯浓度的实时自动控制，本系统的实施及应用，可大大提高掘进面的安全性、可靠性，提高矿井自动化生产水平，节约生产成本，避免故障带来的设备及生产上的损失，同时实现在瓦斯积聚后，安全、有效、快速地排放瓦斯，防止“一风吹”，实现对瓦斯浓度最大效率的安全排放，保障掘进面局部通风机的安全运转，从根本上消除了因“一风吹”而造成的瓦斯爆炸的事故隐患，在同类矿井中有很好的推广使用价值。
作者：张培晏 撖动 单位：潞安环能股份公司
