煤矿地面主扇风机智能变频节能控制装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种煤矿地面主扇风机智能变频节能控制装置。其技术方案是：气体分析系统和中央控制单元PLC安装在主扇风机的值班室内，高压变频器安装在主扇风机的一侧，矿井数字化电子自动识别考勤机安装在煤矿的井口入口处，将考勤人数输入到中央控制单元PLC中；气体分析系统将分析检测的气体浓度信号送至中央控制单元PLC，通过中央控制单元PLC将考勤人数信号和气体浓度信号或者两者之一处理后，输出控制高压变频器，进而控制主扇风机运转。有益效果是：通过井下实时作业人数和（或）在线实时检测矿井主扇风机中气体浓度，实现闭环智能变频控制主扇风机转速，将作业人数作为控制主扇风机转速的一个重要指标，提高了主扇风机的智能控制安全性。
【专利说明】煤矿地面主扇风机智能变频节能控制装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种煤矿地面主扇风机控制装置，特别涉及一种煤矿地面主扇风机智能变频节能控制装置。
【背景技术】
[0002]我国煤炭开采矿井绝大多数是井工开采，目前有井工开采的矿井10000多个，凡是井工开采的煤矿都在地面建有主扇风机，由主扇风机将井下采煤和掘进工作区域内的有害气体抽出，保证井下工作人员及矿井的安全。主扇风机是煤矿中最大的动力设备，一般的煤矿主扇风机的电机功率都在IOOOkW左右，是煤炭开采过程中最大的能耗设备。由于井下有害气体的浓度和作业人员数量是变化的，为了安全起见，主扇风机按估算的有害气体浓度最高、井下作业人数配置最多的情况配风，因此主扇风机以恒定转速全年、全天候的运行，是管理粗放型的运转，节能降耗的潜力很大，尤其是在当前我国节能减排和气候变化形式非常严峻背景下，在保证矿井安全的前提下，对煤矿主扇风机的降耗是非常必要的。另夕卜，煤炭行业通过主扇风机对空排放的气体(乏风)，其甲烷浓度虽然很低(煤矿安全规程要求0.75%以下，但实际上超过0.4%的很少)，但总量很大，约占煤炭行业所排放甲烷总量的70%以上，长期以来由于主扇风机所排的气体在线甲烷检测不准、不稳定，对具体矿井的甲烷排放总量只是个估算值，与实际数据相差较大，为管理层决策和对这部分甲烷的利用带来较大麻烦。
[0003]现代电子通讯、电气控制技术和气体在线检测技术有了很大的发展，并已经在其它领域得到较广泛的应用，变频技术和产品也已经成熟，并在一些领域内得到广泛应用，商业化价值越来越高，目前煤矿井下的输送设备动力已经采用了高压变频控制技术。
[0004]中国专利文献号为201623688U，专利名称《煤矿风机变频控制节能装置》，包括工作风机和备用风机；其特征在于:工作风机和备用风机的两极电机各自通过变频器分别与电源转换开关连接，各电源转换开关分别通过常用电源器和备用电源器各自与常用电源和备用电源连接。该实用新型专利实现了变频器控制煤矿风机的功能，但是并没有结合井下作业人数和气体在线检测分析装置进行综合控制。
[0005]中国专利文献号为101117892，专利名称《煤矿瓦斯检测与风机自动控制系统》，包括风机的输入端联有变频器，变频器通过数/模转换器与单片机的输出端联接，单片机的输入端通过依次联接的模/数转换器、安全栅与瓦斯浓度传感器联接，单片机另外的输入、输出还分别对应与按键、显示实测浓度设定浓度的数码管联接。该实用新型实现了煤矿瓦斯检测和变频器组合来控制风机，技术更进了一步，但是由于甲烷浓度太低，其浓度检测设备的精度和稳定性不能很好地满足控制要求，并且没有结合井下作业人数进行综合控制风机，没有实现综合智能控制，存在由于甲烷浓度检测不准、不稳定的缺陷和当作业人员较多的时候，需要更多的氧气，而现有的技术并不能监控这个数据，从而带来巨大的安全隐患。
[0006]为了清楚准确地统计并动态掌握井下作业人数，对煤矿进行有效的劳动定员管理，确保井下作业人员的安全。目前许多煤矿已经为井下配备使用了数字化电子自动识别考勤机，它可实时监控井下人员动态数量，但是并未应用于控制煤矿风机的控制。
[0007]另外，气体在线检测分析技术近年来在化工行业得到很大的发展，其检测精度达到ppm级的水平，其检测响应时间也达到几十秒左右，并且在线检测的稳定性随着在线对所检气体的样气实时预处理而达到很高的水平。
【发明内容】
[0008]本实用新型的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种煤矿地面主扇风机智能变频节能控制装置，通过准确计量和共享煤矿通风瓦斯参数、井下作业实时人员数量等数据，并且采用高压变频技术实时控制煤矿地面主扇风机转速，降低主扇风机能耗，实现矿井通风管理智能化。
[0009]其技术方案是:包括气体分析系统、气体分析信号电缆、出风取气管、中央控制单元PLC、变频器控制电缆、高压变频器、电力电缆、主扇风机、主扇风机出口、进风取气管、主扇风机进口、矿井数字化电子自动识别考勤机、考勤信号控制电缆，所述的气体分析系统安装在主扇风机的值班室内或主扇风机的附近，所述的高压变频器安装在主扇风机的一侧，中央控制单元PLC安装在主扇风机的值班室内，矿井数字化电子自动识别考勤机安装在煤矿的井口入口处，将考勤人数通过考勤信号控制电缆输入到中央控制单元PLC中；
[0010]在主扇风机的主扇风机出口处安装出风取气管，出风取气管连接到气体分析系统，通过出风取气管将分析用的取样气体送到气体分析系统中；或者是在主扇风机的主扇风机进口处安装进风取气管，进风取气管连接到气体分析系统，通过进风取气管将分析用的取样气体送到气体分析系统中；所述的气体分析系统通过气体分析信号电缆将分析检测的气体浓度信号送至中央控制单元PLC，通过中央控制单元PLC将考勤人数信号和气体浓度信号或者二者之一处理后，通过变频器控制电缆控制高压变频器，进而控制主扇风机运转。
[0011]上述的出风取气管的末端设有取样头，所述的取样头为斜面结构，且斜面朝下。
[0012]上述的气体分析系统采用在线气体分析系统，其检测分析精度达到至少100个ppm级别。
[0013]上述的中央控制单元PLC将考勤人数信号和气体浓度信号或者二者之一处理，采用闭环自动控制或者半自动控制。
[0014]本实用新型的有益效果是:
[0015]1、通过在线实时检测矿井主扇通风瓦斯中相关气体浓度和井下实时作业人数，实现闭环智能变频控制主扇风机转速，降低煤炭开采过程中的能耗，将作业人数作为控制主扇风机转速的一个重要指标，提高了主扇风机的智能控制安全性，避免了操作人员较多的情况下，由于没有监控这个参数导致缺氧的问题出现；
[0016]2、通过在线实时检测矿井通风瓦斯气体浓度变化状态和井下实时作业人员数量，为实现煤矿安全生产及温室气体排放管理提供了科学依据；
[0017]3、通过本实用新型的实施，可将井下通风瓦斯甲烷浓度控制在一定的相对较合理的范围内，为通风瓦斯的氧化或其它方式的利用提供了可能和方便。
【专利附图】
【附图说明】[0018]附图1是本实用新型的结构示意图；
[0019]附图2是本实用新型的取样头在主扇风机出口或进口的安装图；
[0020]上图中:气体分析系统1、气体分析信号电缆2、出风取气管3、中央控制单元PLC4、变频器控制电缆5、高压变频器6、电力电缆7、主扇风机8、主扇风机出口 9、进风取气管10、主扇风机进口 11、矿井数字化电子自动识别考勤机12、考勤信号控制电缆13、取样头14。
【具体实施方式】
[0021]结合附图1和2，对本实用新型作进一步的描述:
[0022]本实用新型包括气体分析系统1、气体分析信号电缆2、出风取气管3、中央控制单元PLC4、变频器控制电缆5、高压变频器6、电力电缆7、主扇风机8、主扇风机出口 9、进风取气管10、主扇风机进口 11、矿井数字化电子自动识别考勤机12、考勤信号控制电缆13，所述的气体分析系统I安装在主扇风机8的值班室内或主扇风机8的附近，所述的高压变频器6安装在主扇风机8的一侧，中央控制单元PLC4安装在主扇风机8的值班室内，矿井数字化电子自动识别考勤机12安装在煤矿的井口入口处，将考勤人数通过考勤信号控制电缆13输入到中央控制单元PLC4中；
[0023]在主扇风机8的主扇风机出口 9处安装出风取气管3，出风取气管3连接到气体分析系统1，通过出风取气管3将分析用的取样气体送到气体分析系统I中；或者是在主扇风机8的主扇风机进口 11处安装进风取气管10，进风取气管10连接到气体分析系统1，通过进风取气管10将分析用的取样气体送到气体分析系统I中；所述的气体分析系统I通过气体分析信号电缆2将分析检测的气体浓度信号送至中央控制单元PLC4，通过中央控制单元PLC4将考勤人数信号和(或)气体浓度信号处理后，通过变频器控制电缆5控制高压变频器6，进而控制主扇风机8运转，形成智能的闭环控制回路。
[0024]参照附图2，出风取气管3的末端设有取样头14，所述的取样头14为斜面结构，且斜面朝下，取样头14设置在主扇风机出口 9的中心部位，或其它能有效取出分析样气的位置，而斜面朝下可以容易取到取样气体；上述的气体分析系统I采用现有市售的在线气体分析系统，其气体分析检测精度可达到100个PPM级水平，分析检测响应时间可做到几十秒之快，并且稳定可靠；矿井数字化电子自动识别考勤机12的信号传输可有线传输，也可无线传输。
[0025]本实用新型的工作原理如下:
[0026]通过在线气体分析系统从主扇风机的出风口或进风口取出样气，经净化处理后，分析测得到通风瓦斯，包括甲烷和(或)二氧化碳和(或)氧气等的浓度，将浓度转化为电信号送入中央控制单元PLC，同时将主扇风机的流量、压力、温度信号送入中央控制单元PLC。将矿井数字化电子自动识别考勤机获取的人员数量信号通过有线或无线方式也送入中央控制单元PLC。由中央控制单元PLC对上述所采集的信号进行处理后，按程序设定的控制策略将变频信号送到高压变频器，由其改变主扇风机的运行转速。当矿井数字化电子自动识别考勤机12的信号或(和)检测样品气体浓度出现异常时，如信号不通或测量远离设定范围时，将启动主扇风机以工频或经验设定频率进行运转。
[0027]控制要求如下:
[0028]1、设定主扇风机最低运行转速:根据具体矿井井下采煤区、掘进区、硐室及其它地点的有害气体浓度(如一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、硫化氢、氨、氢气等)、风速、温度等经验数据及通风瓦斯气体的甲烷和(或)二氧化碳的浓度，按照煤炭安全规程的相关要求，设定主扇风机最低运行转速，即在检测输送中央控制单元PLC的各参数失效或无效，或控制系统失效等非正常情况下，主扇风机也能运转并保证煤矿井下通风的最低安全需求。
[0029]2、各控制参数主次关系的确定:在高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井，以主扇风机通风瓦斯样品气甲烷浓度为第一主控参数，首先保证主扇通风瓦斯甲烷浓度满足煤矿安全规程的要求，防止煤矿井下瓦斯爆炸。以井下实时作业人数为第二控制参数，以此保证井下作业人员有充足的氧气，防止作业人员出现窒息现象。同时，可以主扇风机通风瓦斯样品气二氧化碳浓度为第三主控参数。在低瓦斯矿井，以井下实时作业人数为第一控制参数，以主扇风机通风瓦斯样品气甲烷或二氧化碳浓度分别为第二或第三主控参数。具体情况，可根据具体煤矿的实际情况设定。
[0030]3、满足两台主扇风机在10分钟内切换运行成功，并保证主扇为井下反送风时的时间和风量要求。
[0031]本实用新型按照煤矿安全规程的要求，通过实时检测取样的瓦斯气体浓度(如甲烷、二氧化碳等)和煤矿井下实时作业人数，分析处理后按预先设定的程序，一是实现闭环自动控制主扇风机的转速，在保证煤矿安全生产的前提下实现主扇风机能耗降低；二是实时准确统计记录甲烷等温室气体的排放情况；三是为主扇风机通风瓦斯的氧化或其它方式的利用提供了可能和方便。
[0032]本实用新型为煤炭行业节能降耗和增加效益，安全生产和温室气体排放管理提供了技术措施。
【权利要求】
1.一种煤矿地面主扇风机智能变频节能控制装置，其特征是:包括气体分析系统(I)、气体分析信号电缆(2)、出风取气管(3)、中央控制单元PLC (4)、变频器控制电缆(5)、高压变频器(6)、电力电缆(7)、主扇风机(8)、主扇风机出口(9)、进风取气管(10)、主扇风机进口(11)、矿井数字化电子自动识别考勤机(12)、考勤信号控制电缆(13)，所述的气体分析系统(I)安装在主扇风机(8)的值班室内或主扇风机(8)的附近，所述的高压变频器(6)安装在主扇风机(8 )的一侧，中央控制单元PLC (4 )安装在主扇风机(8 )的值班室内，矿井数字化电子自动识别考勤机(12)安装在煤矿的井口入口处，将考勤人数通过考勤信号控制电缆(13)输入到中央控制单元PLC (4)中； 在主扇风机(8)的主扇风机出口(9)处安装出风取气管(3)，出风取气管(3)连接到气体分析系统(1)，通过出风取气管(3)将分析用的取样气体送到气体分析系统(I)中；或者是在主扇风机(8)的主扇风机进口(11)处安装进风取气管(10)，进风取气管(10)连接到气体分析系统(I )，通过进风取气管(10)将分析用的取样气体送到气体分析系统(I)中；所述的气体分析系统(I)通过气体分析信号电缆(2)将分析检测的气体浓度信号送至中央控制单元PLC (4)，通过中央控制单元PLC (4)将考勤人数信号和气体浓度信号或者二者之一处理后，通过变频器控制电缆(5 )控制高压变频器(6 )，进而控制主扇风机(8 )运转。
2.根据权利要求1所述的煤矿地面主扇风机智能变频节能控制装置，其特征是:所述的出风取气管(3)的末端设有取样头(14)，所述的取样头(14)为斜面结构，且斜面朝下。
3.根据权利要求1所述的煤矿地面主扇风机智能变频节能控制装置，其特征是:所述的气体分析系统(I)采用在线气体分析系统，其检测分析精度达到至少100个ppm级别。
4.根据权利要求1所述的煤矿地面主扇风机智能变频节能控制装置，其特征是:所述的中央控制单元PLC (4)将考勤人数信号和气体浓度信号或者二者之一处理，采用闭环自动控制或者半自动控制。
【文档编号】E21F1/00GK203756571SQ201420088964
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】马晓东, 马晓晨 申请人:马晓东, 马晓晨