變頻技術(shù)在煤礦通風自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃睿

摘 要： 煤礦通風系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。在煤礦通風系統(tǒng)中應(yīng)用了自動控制原理，并引入變頻技術(shù)，對整個系統(tǒng)進行改造，設(shè)計出一套具有實用價值的方案。實現(xiàn)煤礦通風自動控制的同時大大節(jié)約了電能的消耗，為煤炭產(chǎn)業(yè)工控系統(tǒng)的改造提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 變頻器； PLC； 通風系統(tǒng)； 自動控制

中圖分類號： TD 63+5 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）03-0090-03

0 引 言

煤礦業(yè)在我國的國民經(jīng)濟中占有重要地位，其生產(chǎn)線的高效性和安全性是最主要的兩個指標，而煤礦安全的重中之重就是煤礦通風[1]。煤礦通風系統(tǒng)是杜絕煤礦生產(chǎn)安全事故的重要保障。將自動化技術(shù)引入煤礦通風系統(tǒng)中，形成一套完整的自動控制體系，可以提高通風效率，提高安全系數(shù)，降低煤礦通風管理過程人力成本。而在此基礎(chǔ)上，加入變頻技術(shù)，就可以深度節(jié)約成本，優(yōu)化自控系統(tǒng)，使得經(jīng)濟效益最大化，對促進煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 自控系統(tǒng)設(shè)計

由于井下煤礦實際需求，通風自控系統(tǒng)需要分為三個網(wǎng)絡(luò)體系：管理層、控制層和現(xiàn)場層。管理層利用上位機組態(tài)對井下現(xiàn)場層實時監(jiān)控，與控制層之間通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的交換，達到遠程控制的目的；控制層則通過主控制器直接對現(xiàn)場器件進行操作；現(xiàn)場層通過各器件采集數(shù)據(jù)，將信號直接上傳。通風自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中，主控制器可以采集實時運行數(shù)據(jù)，與管理層的上位機交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場層設(shè)備的實時監(jiān)控[2]。通風機相關(guān)設(shè)備、各類傳感器和執(zhí)行原件構(gòu)成現(xiàn)場層的主要硬件系統(tǒng)，這些設(shè)備可以采集溫度、通風量、通風壓力和震動量等數(shù)據(jù)信息，控制端預(yù)置理想狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)通風量。

2 系統(tǒng)控制方式

本系統(tǒng)采用了工業(yè)控制領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的可編程控制器，即PLC[3]。相比單片機而言PLC具有抗干擾能力強、可靠性高、接口功能先進等諸多優(yōu)點。PLC程序編寫通俗易懂，尤其是梯形圖程序，簡潔直觀，非常容易掌握，更適合現(xiàn)場技術(shù)工人使用。PLC的結(jié)構(gòu)模塊化，用戶可以根據(jù)自己的需要進行改裝、重組；模塊化使外圍電路大幅度化簡，安裝時更加簡單。此外系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以針對報錯模塊單獨維修或更換，為系統(tǒng)的維護提供方便。PLC是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備[4]，具有超高的性價比，小巧輕便，低能耗，非常適合煤礦自動通風系統(tǒng)使用。

3 變頻技術(shù)的應(yīng)用

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備[5]。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：

n=60f（1-s）/p，

式中：n為轉(zhuǎn)速；f為輸入頻率；s為電機轉(zhuǎn)差率；p為電機磁極對數(shù)。通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。

變頻調(diào)速控制方式通常分為V/F控制、轉(zhuǎn)差率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制四種，分別適用于不同場合。對于風機來說，通常采用V/F控制。V/F控制低頻特性差，在電機低速運行時存在一定缺陷，但是由于風機不需要考慮負載問題，所以V/F控制完全適用，結(jié)構(gòu)簡單而且節(jié)能效果好。圖2為引入變頻調(diào)速后的節(jié)能對比結(jié)果。

圖2中，H為風壓；Q為風量；R為網(wǎng)管阻力；A為通風機的工作點。由圖2可以看出，當以風量為被控量，通過控制風門開度，將風量減少一半時，網(wǎng)管阻力R隨之改變，但是電動機的轉(zhuǎn)速沒有發(fā)生改變，H曲線不變。而變頻調(diào)速可以降低轉(zhuǎn)速，同樣的風量改變條件下，H曲線大幅度改變。經(jīng)過對比，圖中的陰影面積即為節(jié)約的功率。

在已有硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，將原控制器并聯(lián)變頻控制設(shè)備，由變頻器操控通風機，這樣就形成了可以自動切換功能的工頻、變頻雙回路操作系統(tǒng)。為了達到通風要求，由控制閥箱來撤銷原來的風門，系統(tǒng)主控制器直接操控PLC。

遠程監(jiān)視功能由上位機組態(tài)和控制接口聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)；控制端由DCS 集控系統(tǒng)構(gòu)成。在監(jiān)控端通過微機主控平臺啟動主通風機中的任意一臺電機，就可以對每一臺電機的實時運行狀況直接進行監(jiān)視。自動化變頻器在運行中產(chǎn)生輸出頻率，根據(jù)此頻率可以在風機風量的自動調(diào)節(jié)控制下，通過手動和自動的方式設(shè)置變頻柜的各類參數(shù)，頻率與風量的自動閉環(huán)控制由此產(chǎn)生。自動性保護功能、運行指示功能、電源指示功能和頻率顯示功能以及過電流、過電壓、過載、聲光報警等功能通過改造均可以實現(xiàn)，當現(xiàn)場設(shè)備運行故障時，便可自動報警，并顯示故障器件參數(shù)。

改造后的風量自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)中PLC作為控制核心，風量為被控量，變頻器通過PLC發(fā)送的控制信號進行變頻調(diào)速，通過不斷測量實際風量與給定值的偏差，自動調(diào)整，直至消除偏差，達到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文在日漸成熟的煤礦井下通風自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過引入變頻器，將系統(tǒng)改造、完善。不僅滿足了系統(tǒng)的安全性、自動化，還在能源節(jié)約方面取得了成績，既為煤礦高效安全生產(chǎn)提供了保障，也日后的研究提供一定的借鑒。

參考文獻：

[1] 陳醉. 關(guān)于煤礦通風系統(tǒng)安全運行的相關(guān)影響因素的探討[J]. 科技資訊，2012（22）：101.

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[3] 廖常初. PLC編程及應(yīng)用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2002：179-181.

[4] FREY G，LITZ L. Formal methods in PLC programming[C]. IEEE International Conference，2000（4）：2431-2436.

[5] 魏強，沈沉. 空調(diào)末端控制系統(tǒng)自控元件的應(yīng)用策略[J]. 制冷與空調(diào)，2012，12（3）：132-135.

Abstract： This thesis verifies the ventilation system of coal mine as a significant guarantee of coal mine work safety. A set of practical solutions have been presented as the modification of the system，based on the automatic control principle， as well as the introduced technology of frequency conversion. Realizing automatic control and greatly saving the energy consumption of coal mine ventilation simultaneously， the achievement can also be utilized to provide reference for coal industry transformation with the industrial control system.

Keywords： frequency converter； PLC； ventilation system； automatic control

（責任編輯：徐興華）