隧道施工通風系統節能運行控制系統及方法

2023-05-14 01:15:56

專利名稱：隧道施工通風系統節能運行控制系統及方法
技術領域：
本發明屬於隧道施工通風技術領域，尤其是涉及ー種隧道施工通風系統節能運行控制系統及方法。
背景技術：
隧道建設施工一般採取一條隧道雙頭或多作業面掘進，多エ序作業，逐漸延伸，最後實現貫通。施工中，由於鑽孔、炸藥爆破、裝渣、噴射混凝土、內燃機械和運輸車輛的廢氣排放等會產生大量的有毒有害氣體和粉塵，使隧道內狹窄空間的空氣非常汙濁，使作業環境惡劣。在這種環境中作業，會對施工人員身體健康造成了極大的危害，如導致ー氧化碳中毒、人員呼吸困難、工作效率降低等。施工過程中必須向洞內供給足夠的新鮮空氣，稀釋和 置換排出有毒有害氣體和降低粉塵濃度，改善勞動條件，保障施工作業人員的身體健康和施工裝備正常運轉，實現安全生產，提高勞動生產率。隧道施工中向洞內供給足夠的新鮮空氣是依靠通風系統實現的。通風系統是由風機和與風機連接的風管構成，若採用壓入式通風模式，風機一般採用軸流風機，風管從隧道外一直延伸至作業面附近。通風系統向作業面提供足夠的新鮮空氣量(風量)以滿足隧道正常施工對風量的要求。隧道正常施工對風量的要求包括以下幾個方面(I)滿足隧道內作業人員呼吸到足夠的新鮮空氣量，按洞內作業人員每人呼吸所需新鮮空氣量為3m3/min計算。(2)滿足作業面有害氣體的濃度在規定時間內降低到允許濃度以下。要求的相應風量與一次同時爆炸的炸藥量等有夫。(3)滿足洞內最低風速不低於O. 15m/s，要求的相應風量與隧道斷面面積和由於洞內外溫差產生的對流效果有夫。(4)滿足內燃機械和運輸車輛在洞內正常運行需要，要求的相應風量與同時在洞內作業內燃設備的數量、功率以及是否安裝廢氣浄化裝置有夫。(5)滿足隧道內氣溫不超過28°C，要求的相應風量與隧道掘進的長度和氣候條件
等有關。要滿足隧道施工對風量的要求，通風系統必須具有足夠的壓力(即風壓)以克服通風阻カ並使風管出ロ風流具有一定的動壓。通風阻カ主要是由風管摩擦阻力和局部阻カ構成，它們與風管的摩阻係數、通風距離(風管長度)、風管直徑、空氣密度、空氣在風管內的流動速度、風管的平順度和風管的接頭數量等有夫。風管出ロ風流的動壓要滿足隧道施工時不同作業エ序對風量的相應要求。隧道施工過程中通風系統風量和風壓的乘積決定了風機的負載，風機的負載也就是驅動風機的電動機的負載。隧道施工用風機的驅動電動機一般採用三相交流異步電動機。電動機的負載決定了電動機的能耗。隧道施工是多エ序作業，長度逐漸延伸，這就決定了隧道施工通風系統負載不是恆定的。在進行不同エ序作業時系統要求的風量不同，隨著隧道長度逐漸延伸，系統要求的風壓逐漸增加。歸納起來，隧道施工中通風系統的負載有以下四類エ況低風壓小風量エ況、低風壓大風量エ況、高風壓小風量エ況、高風壓大風量エ況。通風系統在不同エ況下，由於負載不同，其消耗的能量也不同。小風量低風壓エ況系統消耗的能量較少；高風壓大風量エ況系統消耗的能量較多。在配置隧道施工通風系統風機時，要求風機的額定輸出風壓和風量滿足通風系統最大負載要求，即風機的額定輸出風壓大於等於實現最長通風距離(風管長度)正常通風所要求風壓，風機的額定輸出風量大於等於用風量最大的作業エ序所要求的風量和最長通風距離時風管的漏風量之和。風機的轉速決定了風機的輸出風量，風機由電動機驅動，電動機的轉速決定了風機的輸出風量，因此改變電動機的轉速就可以實現對風機輸出風量的調節。由電機理論可知，交流異步電動機的轉速與電源頻率成正比，與電動機極對數成反比，即由下式確定n=kf (l-s)/p,其中f為電動機的電源頻率,η為異步電動機的轉速,s為電動機轉差率，P為電動機磁極對數。由上式可以看出，通過調節電動機交流電源頻率， 可以實現對電動機的轉速進行調節。因此採用電動機變頻調速技術，對風機轉速進行調節，可以實現使風機輸出風量適應不同エ況所要求的風量，減少能源浪費，達到節能的目的。但是，國內隧道施工通風中，大多數風機沒有採用電動機變頻調速技木，沒有做到通過調節風機轉速使風機輸出風量適應不同エ況所要求的風量，造成了能源浪費。少數風機配置了變頻器，儘管可以利用變頻器改變風機電源頻率，實現對風機轉速調節，但調整是由工作人員手動操作完成，由於隧道施工通風系統是ー種非線性、多幹擾系統，系統的風速與風機的轉速間的關係不是線性的，且受多種因素影響，使得利用變頻調速技術實現隧道施工節能的潛力沒有得到充分利用。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種設計合理、智能化程度高且使用效果好、經濟實用的隧道施工通風系統節能運行控制系統。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是ー種隧道施工通風系統節能運行控制系統，其特徵在於包括供電電源和控制器模塊，以及與控制器模塊相接並用於設定風速標準值的參數設置模塊和用於根據控制器模塊輸出的控制指令對風機的轉速進行變頻調速的變頻器，所述風機與所述變頻器的輸出端相接，所述控制器模塊的輸入端接有通信模塊，所述通信模塊的輸入端接有設置在隧道施工作業面附近並用於對風速進行實時檢測的風速傳感器，所述供電電源包括用於給變頻器供電的動カ電源，以及與動カ電源相接並用於給風速傳感器、通信模塊、控制器模塊和參數設置模塊供電的電壓轉換電路模塊。上述的隧道施工通風系統節能運行控制系統，其特徵在幹所述通信模塊為有線或/和無線通信模塊。上述的隧道施工通風系統節能運行控制系統，其特徵在於所述通信模塊由與風速傳感器相接且用於將風速傳感器輸出的電信號轉換成光信號的第一光端機、與第一光端機的輸出端相接並用於傳輸光信號的光纖纜和與光纖纜相接並用於將光纖纜傳輸來的光信號轉換成電信號輸出給控制器模塊的第二光端機構成，所述第二光端機的輸出端與所述控制器模塊的輸入端相接。
上述的隧道施工通風系統節能運行控制系統，其特徵在於所述風速傳感器設置在與風機連接的風管出口處或設置在隧道內。上述的隧道施工通風系統節能運行控制系統，其特徵在幹所述控制器模塊為可編程邏輯控制器。上述的隧道施工通風系統節能運行控制系統，其特徵在於所述參數設置模塊為鍵盤或觸控螢幕。本發明還提供了ー種使用操作簡便、數據傳輸速度快、控制精度高、工作可靠性高且實用價值高的隧道施工通風系統節能運行控制方法，其特徵在於該方法包括以下步驟 步驟一、風速標準值的設定通過所述參數設置模塊將隧道施工不同作業エ序對風速的要求值設定為對應於相應エ序的風速標準值V1、V2、…、Vn，控制器模塊接收參數設置模塊設定的風速標準值VI、V2、…、Vn並存儲在相應的存儲單元中，其中，η為自然數；步驟ニ、風速標準值的選擇通過參數設置模塊選擇當前作業エ序的風速標準值Vi，其中 i=l、2、...、n ;步驟三、風速信號的實時檢測及傳輸通過所述風速傳感器對隧道施工作業面附近的風速進行實時檢測並將其所檢測到的風速信號V通過通信模塊實時傳輸給控制器模塊；步驟四、信號採樣及分析處理通過所述控制器模塊對風速信號V和變頻器的輸出頻率f進行周期性採樣，並將採樣得到的數據進行如下處理步驟401、所述控制器模塊根據公式I 一 V/Vi對採樣得到的風速信號V與當前作業エ序的風速標準值Vi進行分析處理，得到風速差率I 一 V/Vi ；步驟402、所述控制器模塊根據公式Λ f= (I - V/Vi) f對風速差率I 一 V/Vi與採樣得到的變頻器的輸出頻率f進行分析處理，得到變頻器的輸出頻率f的増量Λ f值；步驟五、對風機進行變頻調速所述控制器模塊向變頻器發送輸出頻率f改變Λ f值的控制指令，變頻器的輸出頻率改變為fl=f+ Δ f，通過變頻器對風機進行變頻調速，實現風機轉速的改變，進而實現風機輸出風量的改變，達到了對隧道施工作業面附近風量進行調節的目的，使得風速傳感器所檢測到的風速信號V趨近當前作業エ序的風速標準值Vi ；步驟六、當進行隧道施工其他作業エ序時，通過參數設置模塊選擇其他作業エ序的風速標準值，重複進行步驟ニ到步驟五，直至隧道施工所有作業エ序結束為止。上述的隧道施工通風系統節能運行控制方法，其特徵在幹步驟三中通過通信模塊將風速傳感器所檢測到的風速信號V實時傳輸給控制器模塊的具體過程如下步驟301、通過第一光端機接收風速傳感器所檢測到的風速信號V並將風速信號V這ー電信號轉換成相應的光信號；步驟302、第一光端機將步驟301中的到的光信號通過光纖纜傳輸給第二光端機；步驟303、第二光端機接收光纖纜傳輸的光信號並將光信號轉換成風速信號V這ー電信號後實時傳輸給控制器模塊。本發明與現有技術相比具有以下優點I、本發明主要針對現有技術中的隧道施工通風系統不能根據實際需要實時調節風機輸出風量而提出，能夠根據實際需要自動完成風機輸出風量的實時調節，設計新穎合理，使用操作便捷。2、本發明主要通過在現有技術中的隧道施工通風系統中增加風速傳感器、通信模塊、控制器模塊、參數設置模塊和變頻器來實現，實現方便且實現成本低。3、本發明採用了電動機變頻調速技術，通過在控制器模塊中實現控制算法並通過變頻器對風機進行變頻控制，實現風機轉速的改變，進而實現風機輸出風量的改變，達到了對隧道施工作業面附近風量進行調節的目的，能夠使得隧道施工作業面附近的實際風速滿足需要，既不會造成風速不足的現象，也不會造成風速過大的現象，即能滿足正常作業的風量要求，還能達到節能降耗的目的，減少了能源浪費。4、本發明通信模塊由與風速傳感器相接且用於將風速傳感器輸出的電信號轉換成光信號的第一光端機、與第一光端機的輸出端相接並用於傳輸光信號的光纖纜和與光纖纜相接並用於將光纖纜傳輸來的光信號轉換成電信號輸出給控制器模塊的第二光端機構 成，數據傳輸速度快，通信可靠性高。5、本發明的控制精度高，工作可靠性高，維護維修費用低。6、本發明的實用性強，使用效果好，便於推廣應用。綜上所述，本發明設計新穎合理，使用操作便捷，實現成本低，控制精度高，工作可靠性高，達到了節能降耗的目的，實用性強，使用效果好，便於推廣應用。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進ー步的詳細描述。


圖I為本發明隧道施工通風系統節能運行控制系統的電路原理框圖。圖2為本發明隧道施工通風系統節能運行控制方法的方法流程圖。附圖標記說明
-風速傳感器；2—通信模塊；2-1—第一光端機；
.一光纖纜；2-3—第二光端機；3—控制器模塊；
-變頻器；5—風機；6—供電電源；
一功力電源；6-2—電壓轉換電路模塊； 7—參數設置模塊。
具體實施例方式如圖I所示，本發明所述的隧道施工通風系統節能運行控制系統，包括供電電源6和控制器模塊3，以及與控制器模塊3相接並用於設定風速標準值的參數設置模塊7和用於根據控制器模塊3輸出的控制指令對風機5的轉速進行變頻調速的變頻器4，所述風機5與所述變頻器4的輸出端相接，所述控制器模塊3的輸入端接有通信模塊2，所述通信模塊2 的輸入端接有設置在隧道施工作業面附近並用於對風速進行實時檢測的風速傳感器1，所述供電電源6包括用於給變頻器4供電的動カ電源6-1，以及與動カ電源6-1相接並用於給風速傳感器I、通信模塊2、控制器模塊3和參數設置模塊7供電的電壓轉換電路模塊6-2。本實施例中，所述通信模塊2為有線或/和無線通信模塊。具體地，所述通信模塊2由與風速傳感器I相接且用於將風速傳感器I輸出的電信號轉換成光信號的第一光端機2-1、與第一光端機2-1的輸出端相接並用於傳輸光信號的光纖纜2-2和與光纖纜2-2相接並用於將光纖纜2-2傳輸來的光信號轉換成電信號輸出給控制器模塊3的第二光端機2-3構成，所述第二光端機2-3的輸出端與所述控制器模塊3的輸入端相接。另外，通信模塊2還可以由與與風速傳感器相接的第一無線通信模塊和與控制器模塊相接的第二無線通信模塊構成，所述第一無線通信模塊和第二無線通信模塊均為GPRS模塊、CDMA模塊或3G模塊。本實施例中，所述風速傳感器I設置在與風機5連接的風管出口處或設置在隧道內；當風速傳感器I設置在風管出ロ處時，風速傳感器I檢測到的風速信號V乘以風管的斷面積即為隧道施工作業面的風量值；當風速傳感器I設置在隧道內時，風速傳感器I檢測到 的風速信號V乘以隧道斷面積即為隧道施工作業面的風量值。所述控制器模塊3為可編程邏輯控制器。所述參數設置模塊7為鍵盤或觸控螢幕。結合圖2，本發明所述的隧道施工通風系統節能運行控制方法，包括以下步驟步驟一、風速標準值的設定通過所述參數設置模塊7將隧道施工不同作業エ序對風速的要求值設定為對應於相應エ序的風速標準值V1、V2、…、Vn，控制器模塊3接收參數設置模塊7設定的風速標準值VI、V2、…、Vn並存儲在相應的存儲單元中，其中，η為自然數；步驟ニ、風速標準值的選擇通過參數設置模塊7選擇當前作業エ序的風速標準值 Vi，其中 i=l、2、...、n ;步驟三、風速信號的實時檢測及傳輸通過所述風速傳感器I對隧道施工作業面附近的風速進行實時檢測並將其所檢測到的風速信號V通過通信模塊2實時傳輸給控制器模塊3 ；步驟四、信號採樣及分析處理通過所述控制器模塊3對風速信號V和變頻器4的輸出頻率f進行周期性採樣，並將採樣得到的數據進行如下處理步驟401、所述控制器模塊3根據公式I 一 V/Vi對採樣得到的風速信號V與當前作業エ序的風速標準值Vi進行分析處理，得到風速差率I 一 V/Vi ;步驟402、所述控制器模塊3根據公式Λ f= (I - V/Vi) f對風速差率I 一 V/Vi與採樣得到的變頻器4的輸出頻率f進行分析處理，得到變頻器4的輸出頻率f的増量Λ f值；步驟五、對風機5進行變頻調速所述控制器模塊3向變頻器4發送輸出頻率f改變Λ f值的控制指令，變頻器4的輸出頻率改變為fl=f+ Δ f，通過變頻器4對風機5進行變頻調速，實現風機5轉速的改變，進而實現風機5輸出風量的改變，達到了對隧道施工作業面附近風量進行調節的目的，使得風速傳感器I所檢測到的風速信號V趨近當前作業エ序的風速標準值Vi ；具體地，當V 0,fl= (f+Λ f)> f，變頻器 4 輸出頻率隨之提高，使得作為變頻器4負載的風機5轉速提高，風機5轉速提高，風機5的輸出風速和隧道施工作業面附近的風速相應提高，隧道施工作業面附近的風量也就増加了，滿足正常作業的風量要求；當V > Vi時，Af= (I - V/Vi) f < O, fl= (f+Δ f) < f，變頻器4輸出頻率隨之降低，使得作為變頻器4負載的風機5轉速降低，風機5轉速降低，風機5的輸出風速和隧道施工作業面附近的風速相應減少，隧道施工作業面附近的風量也就減少了，減少了不必要的能源浪費，實現了隧道施工通風系統的節能運行；步驟六、當進行隧道施工其他作業エ序時，通過參數設置模塊7選擇其他作業エ序的風速標準值，重複進行步驟ニ到步驟五，直至隧道施工所有作業エ序結束為止。本實施例中，步驟三中通過通信模塊2將風速傳感器I所檢測到的風速信號V實時傳輸給控制器模塊3的具體過程如下步驟301、通過第一光端機2-1接收風速傳感器I所檢測到的風速信號V並將風速信號V這ー電信號轉換成相應的光信號；
步驟302、第一光端機2-1將步驟301中的到的光信號通過光纖纜2_2傳輸給第二光端機2-3 ；步驟303、第二光端機2-3接收光纖纜2-2傳輸的光信號並將光信號轉換成風速信號V這ー電信號後實時傳輸給控制器模塊3。隧道施工通風系統是ー種非線性、多幹擾系統，隧道施工作業面附近的風速與風機5的轉速間的關係不是線性的，且受多種因素影響。本發明中，控制器模塊3採用了步驟三中的近似計算方法，在隧道施工的某一作業エ序中，通過採樣周期為T的周期性採樣，多次採樣並多次調整變頻器4的輸出頻率f，使得風速傳感器I所檢測到的風速信號V趨近當前作業エ序的風速標準值Vi，即使得隧道施工作業面附近的實際風速趨近要求值。能夠使得隧道施工作業面附近的實際風速滿足需要，既不會造成風速不足的現象，也不會造成風速過大的現象，即能滿足正常作業的風量要求，還能達到節能降耗的目的。以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。
權利要求
1.一種隧道施工通風系統節能運行控制系統，其特徵在於包括供電電源(6)和控制器模塊(3 )，以及與控制器模塊(3 )相接並用於設定風速標準值的參數設置模塊(7 )和用於根據控制器模塊(3 )輸出的控制指令對風機(5 )的轉速進行變頻調速的變頻器(4 )，所述風機(5)與所述變頻器(4)的輸出端相接，所述控制器模塊(3)的輸入端接有通信模塊(2)，所述通信模塊(2 )的輸入端接有設置在隧道施工作業面附近並用於對風速進行實時檢測的風速傳感器(1)，所述供電電源(6)包括用於給變頻器(4)供電的動力電源(6-1)，以及與動力電源(6-1)相接並用於給風速傳感器(I)、通信模塊(2 )、控制器模塊(3 )和參數設置模塊(7 )供電的電壓轉換電路模塊(6-2 )。
2.按照權利要求I所述的隧道施工通風系統節能運行控制系統，其特徵在於所述通信模塊(2)為有線或/和無線通信模塊。
3.按照權利要求2所述的隧道施工通風系統節能運行控制系統，其特徵在於所述通信模塊(2)由與風速傳感器(I)相接且用於將風速傳感器(I)輸出的電信號轉換成光信號的第一光端機(2-1 )、與第一光端機(2-1)的輸出端相接並用於傳輸光信號的光纖纜(2-2)和與光纖纜(2-2)相接並用於將光纖纜(2-2)傳輸來的光信號轉換成電信號輸出給控制器模塊(3)的第二光端機(2-3)構成，所述第二光端機(2-3)的輸出端與所述控制器模塊(3)的輸入端相接。
4.按照權利要求1、2或3所述的隧道施工通風系統節能運行控制系統，其特徵在於所述風速傳感器(I)設置在與風機(5 )連接的風管出口處或設置在隧道內。
5.按照權利要求1、2或3所述的隧道施工通風系統節能運行控制系統，其特徵在於所述控制器模塊(3)為可編程邏輯控制器。
6.按照權利要求1、2或3所述的隧道施工通風系統節能運行控制系統，其特徵在於所述參數設置模塊(7)為鍵盤或觸控螢幕。
7.一種利用如權利要求3所述控制系統的隧道施工通風系統節能運行控制方法，其特徵在於該方法包括以下步驟 步驟一、風速標準值的設定通過所述參數設置模塊(7)將隧道施工不同作業工序對風速的要求值設定為對應於相應工序的風速標準值V1、V2、…、Vn，控制器模塊(3)接收參數設置模塊(7)設定的風速標準值VI、V2、…、Vn並存儲在相應的存儲單元中，其中，η為自然數； 步驟二、風速標準值的選擇通過參數設置模塊(7)選擇當前作業工序的風速標準值Vi,其中 i=l、2、…、η ; 步驟三、風速信號的實時檢測及傳輸通過所述風速傳感器(I)對隧道施工作業面附近的風速進行實時檢測並將其所檢測到的風速信號V通過通信模塊(2)實時傳輸給控制器豐旲塊(3)； 步驟四、信號採樣及分析處理通過所述控制器模塊(3)對風速信號V和變頻器(4)的輸出頻率f進行周期性採樣，並將採樣得到的數據進行如下處理 步驟401、所述控制器模塊(3)根據公式I 一 V/Vi對採樣得到的風速信號V與當前作業工序的風速標準值Vi進行分析處理，得到風速差率I 一 V/Vi ； 步驟402、所述控制器模塊(3)根據公式Λ f= (I - V/Vi)f對風速差率I 一 V/Vi與採樣得到的變頻器(4)的輸出頻率f進行分析處理，得到變頻器(4)的輸出頻率f的增量Λ f值； 步驟五、對風機(5)進行變頻調速所述控制器模塊(3)向變頻器(4)發送輸出頻率f改變Λ f值的控制指令，變頻器(4)的輸出頻率改變為fl=f+ Δ f，通過變頻器(4)對風機(5)進行變頻調速，實現風機(5)轉速的改變，進而實現風機(5)輸出風量的改變，達到了對隧道施工作業面附近風量進行調節的目的，使得風速傳感器(I)所檢測到的風速信號V趨近當前作業工序的風速標準值Vi ； 步驟六、當進行隧道施工其他作業工序時，通過參數設置模塊(7)選擇其他作業工序的風速標準值，重複進行步驟二到步驟五，直至隧道施工所有作業工序結束為止。
8.按照權利要求7所述的控制方法，其特徵在於步驟三中通過通信模塊(2)將風速傳感器(I)所檢測到的風速信號V實時傳輸給控制器模塊(3)的具體過程如下 步驟301、通過第一光端機(2-1)接收風速傳感器(I)所檢測到的風速信號V並將風速信號V這一電信號轉換成相應的光信號； 步驟302、第一光端機(2-1)將步驟301中的到的光信號通過光纖纜(2-2)傳輸給第二光端機(2-3)； 步驟303、第二光端機(2-3)接收光纖纜(2-2)傳輸的光信號並將光信號轉換成風速信號V這一電信號後實時傳輸給控制器模塊(3)。
全文摘要
本發明公開了一種隧道施工通風系統節能運行控制系統及方法，其系統包括供電電源和控制器模塊，以及與控制器模塊相接的參數設置模塊和變頻器，風機與變頻器的輸出端相接，控制器模塊的輸入端接有通信模塊，通信模塊的輸入端接有風速傳感器；其方法包括步驟一、風速標準值的設定；二、風速標準值的選擇，三、風速信號的實時檢測及傳輸；四、信號採樣及分析處理；五、對風機進行變頻調速；六、當進行隧道施工其他作業工序時，通過參數設置模塊選擇其他作業工序的風速標準值，重複進行步驟二到五，直至隧道施工所有作業工序結束為止。本發明設計新穎合理，使用操作便捷，控制精度高，工作可靠性高，達到了節能降耗的目的，實用性強，便於推廣應用。
文檔編號F04D27/00GK102661284SQ20121017406
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月30日 優先權日2012年5月30日
發明者戴宇, 馬丁乙 申請人:中鐵一局集團有限公司