PLC 變頻調(diào)速系統(tǒng)在煤礦通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

楊 璟

(陽泉煤業(yè)集團(tuán) 機(jī)電動力部，山西 陽泉 045000)

陽煤一礦位于陽泉市西北20 km，井田面積83.6 km2，地質(zhì)儲量10.6 億t，可采儲量6.4 億t.該礦井開采3#、12#、15#層煤，煤層平均厚度分別為1.56 m、1.24 m、4.20 m. 全礦共有5 個回風(fēng)井，總進(jìn)風(fēng)量45 100 m3/min，總回風(fēng)量為50 000 m3/min，絕對瓦斯涌出量165.76 m3/min，相對瓦斯涌出量14.05 m3/t，二氧化碳絕對涌出量9.94 m3/min，二氧化碳相對涌出量0.84 m3/t，為高瓦斯礦井。隨著煤炭開采深度的增加，瓦斯?jié)舛燃眲≡黾樱殉蔀橥{該礦井安全生產(chǎn)的主要因素。做好通風(fēng)工作是處理瓦斯的主要措施，然而瓦斯?jié)舛仁且粋€變化的量，隨著采掘工作中各因素的影響其濃度變化很大。因此，實現(xiàn)井下局部通風(fēng)機(jī)電機(jī)隨巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛葘崟r調(diào)整，來控制巷道內(nèi)的風(fēng)量，從而達(dá)到控制瓦斯?jié)舛鹊哪康?。PLC 是一種新型的控制裝置，并且在各個行業(yè)的電氣控制中運用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，其不僅能對復(fù)雜邏輯進(jìn)行控制，還可以在各個控制中實現(xiàn)順序與定時功能。本文將PLC 和變頻器結(jié)合起來進(jìn)行設(shè)計，以瓦斯?jié)舛葹榭刂茀?shù)來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)，實現(xiàn)風(fēng)量的自動化控制，這樣不僅實現(xiàn)了瓦斯的自動排放，而且還達(dá)到了節(jié)能的目的。

1 PLC 控制技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

在以PLC 為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)中，電路的開關(guān)動作基本上都是由半導(dǎo)體電路實現(xiàn)，PLC 在設(shè)計時考慮了其各種工作環(huán)境，保證在各種條件下都能可靠的工作。PLC 已經(jīng)模塊化與系列化，產(chǎn)品用戶在使用時可以根據(jù)自身的要求對其進(jìn)行靈活設(shè)置，硬件裝置不再需要制作，使用時只需要設(shè)計程序即可滿足不同要求。PLC 使用的是梯形圖編程語言，與傳統(tǒng)的接觸器控制電路相似，容易掌握。其輸入輸出功能比較完善，不僅可以邏輯化控制大量開關(guān)，還可以進(jìn)行各個電路的運算和控制。在輸入輸出方面，其可以很方便地與各種類型的接口連接。

變頻調(diào)速技術(shù)可以根據(jù)要求來改變電源頻率以達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。通風(fēng)機(jī)是煤礦設(shè)備的必要設(shè)備，且耗電量在所有的礦用電氣設(shè)備中最大，因此，在礦用通風(fēng)機(jī)上推廣使用變頻器對于節(jié)能的意義重大。將其運用到通風(fēng)機(jī)上可以實現(xiàn)風(fēng)機(jī)無極調(diào)速，根據(jù)生產(chǎn)要求實時調(diào)整風(fēng)量，減少電能損耗。變頻器還可以在風(fēng)機(jī)啟動時限制電流，減少峰值功率損耗，避免在電機(jī)啟停時對設(shè)備的沖擊，減少設(shè)備的損耗。變頻器有很多的保護(hù)功能，對保證風(fēng)機(jī)的安全運行有積極作用。PLC 與變頻器結(jié)合使用，可以實現(xiàn)對井下通風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)控，減少了通風(fēng)系統(tǒng)檢修的工作量。

2 控制系統(tǒng)基本原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

PLC 作為此系統(tǒng)的主控單元，局部通風(fēng)機(jī)的電機(jī)作為此系統(tǒng)的被控單元，電機(jī)的運行為變頻運行，控制參數(shù)為瓦斯的濃度。采用的PLC 的型號為FX2N-32M，以FX2N-4AD 作為A/D 模塊，采用的變頻器型號為FR-A540.

當(dāng)瓦斯?jié)舛茸兓瘯r瓦斯傳感器可以將信號通過A/D 傳遞給系統(tǒng)，并且通過PLC 進(jìn)行分析運算把控制指令輸送給變頻器，這樣就能實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而實現(xiàn)了控制的最優(yōu)化。此系統(tǒng)可以在工頻和變頻之間進(jìn)行切換，在電機(jī)的變頻器發(fā)生故障或者需要電機(jī)長時間工頻運行時，系統(tǒng)可以自動將其轉(zhuǎn)換至工頻，此系統(tǒng)有手動與自動兩種調(diào)節(jié)方式，手動方式下可以人為控制電機(jī)的啟停等功能，從而提高電機(jī)的可控制性。

3 控制系統(tǒng)硬件電路

此PLC 系統(tǒng)硬件組成的電路見圖2，I/O 地址表見表1.

圖2 控制系統(tǒng)硬件電路示意圖

表1 I/O 地址表

此系統(tǒng)可以使用手動方式來調(diào)節(jié)變頻器的頻率，也可通過變頻器自帶的功能來進(jìn)行設(shè)置。

4 PLC 程序設(shè)計

本次設(shè)計的PLC 程序流程圖見圖3.

根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，在瓦斯?jié)舛瘸^1.5%時需要排放瓦斯。因此，為了節(jié)能，在瓦斯?jié)舛龋?5%時，通風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量應(yīng)該隨著瓦斯?jié)舛鹊淖兓兓?。本次設(shè)計的系統(tǒng)可以滿足此要求。

此外，由于通風(fēng)不僅要滿足排放瓦斯的要求，還有除塵等要求，所以，根據(jù)需要設(shè)置電機(jī)的頻率最小為25 Hz.

此裝置使用了變頻器上RH、RL 和RM 組合來控制通斷，在瓦斯?jié)舛茸兓瘯r風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以轉(zhuǎn)換進(jìn)行調(diào)節(jié)，此程序設(shè)計了5 個級別的電機(jī)轉(zhuǎn)速，其具體設(shè)計值見表2.

5 應(yīng)用效果分析

圖3 PLC 程序流程圖

陽泉一礦風(fēng)機(jī)技改前使用工頻直接啟動，啟動電流大，產(chǎn)生的機(jī)械沖擊對設(shè)備損傷嚴(yán)重，同時調(diào)節(jié)風(fēng)量方式依賴于傳統(tǒng)的風(fēng)門，控制精度很低，造成設(shè)備損耗和能源浪費，從而導(dǎo)致設(shè)備使用壽命縮短，生產(chǎn)成本增加。為實現(xiàn)節(jié)能降耗，使用PLC 變頻調(diào)速設(shè)備，風(fēng)機(jī)由2 ×75 kW 異步電機(jī)拖動，運行一段時間后，經(jīng)過整體情況和工頻運行比較，將運行頻率設(shè)定在30 Hz 單機(jī)運行就能滿足供風(fēng)量。使用變頻器后在滿足礦井通風(fēng)質(zhì)量前提下，根據(jù)公式:

表2 電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計表

經(jīng)估算，單機(jī)節(jié)電率為78.4%，可以看出通過變頻器的使用，實現(xiàn)了節(jié)能降耗，降低了噸煤成本，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

通過對礦井通風(fēng)機(jī)消耗功率分析可知，改變變頻器的頻率，準(zhǔn)確調(diào)節(jié)礦井通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，不僅可以實現(xiàn)瓦斯及時排放，保證了礦井通風(fēng)的安全性，還可以節(jié)約電能。因此，變頻器的運用能夠達(dá)到礦井通風(fēng)機(jī)安全、投資少、效益高、見效快的效果。

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