基于PLC控制的變頻調(diào)速在礦井通風(fēng)機中的應(yīng)用

李 寧

（天津科技大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，天津300222）

耿村煤礦隸屬義煤集團，井田面積83km2，地質(zhì)儲量10億噸，年產(chǎn)量已超過400萬噸。本礦井屬于高瓦斯礦井，瓦斯涌出量為16.88m3/t，瓦斯已成為威脅本礦井安全生產(chǎn)的主要因素。做好通風(fēng)工作是處理瓦斯的主要措施，然而井下空氣中的瓦斯?jié)舛仁且粋€變化的量，受到采掘工作等因素的影響，濃度變化很大。因此力求使井下局部通風(fēng)機電機隨井下巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛葘崟r調(diào)整，以此來控制井下巷道內(nèi)的風(fēng)量，從而達到控制瓦斯?jié)舛鹊哪康?。PLC是一種新型的控制裝置，并且已經(jīng)相當(dāng)廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)的電氣控制中，其不僅能對復(fù)雜邏輯進行控制，還可以在各個控制中實現(xiàn)順序與定時功能[1-2]。本文將PLC和變頻器結(jié)合起來進行設(shè)計，以瓦斯?jié)舛葹榭刂茀?shù)來調(diào)節(jié)風(fēng)機電機，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，還能節(jié)能。

1 PLC控制技術(shù)在礦井通風(fēng)機中的應(yīng)用

在以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)中，電路的開關(guān)動作基本上由半導(dǎo)體電路實現(xiàn)，在PLC設(shè)計時考慮其各種工作環(huán)境，保證PLC能在各種條件下可靠地工作。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)，還可以對各個電路進行運算和控制。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，以達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。通風(fēng)機是煤礦設(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)機上推廣使用變頻器對節(jié)能有重大意義。將其運用到通風(fēng)機上可以實現(xiàn)風(fēng)機無極調(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)機啟動時限制電流，減少峰值功率損耗，避免在電機啟停時對設(shè)備產(chǎn)生沖擊，減少設(shè)備的損耗。變頻器有很多的保護功能，對保證風(fēng)機的安全運行意義明顯。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)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PLC為此系統(tǒng)的主控單元，局部通風(fēng)機的電機為此系統(tǒng)的被控單元，電機的運行為變頻運行，控制參數(shù)為瓦斯的濃度。采用的PLC的型號為FX2N-32M，以FX2N-4AD為A/D模塊，采用的變頻器的型號為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進行分析運算，把控制指令輸送給變頻器，這樣就能實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制，從而實現(xiàn)控制的最優(yōu)化。此系統(tǒng)可以在工頻和變頻之間切換，在電機的變頻器發(fā)生故障或者需要電機長時間工頻運行時，系統(tǒng)可以自動將其轉(zhuǎn)換至工頻。此系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式一共有手動與自動兩種調(diào)節(jié)方式，手動方式下可以人為地控制電機的啟停等功能，從而提高電機的可控制性。

3 控制系統(tǒng)硬件電路

此PLC系統(tǒng)的硬件組成電路如圖2所示，I/O地址見表1。

圖2 控制系統(tǒng)硬件電路

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行設(shè)置。

4 PLC程序設(shè)計

本次設(shè)計的PLC程序流程見圖3。

根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，瓦斯?jié)舛瘸^1.5%時需要排放瓦斯，為了節(jié)能，在瓦斯?jié)舛刃∮?5%時，通風(fēng)機提供的風(fēng)量應(yīng)該隨著瓦斯?jié)舛鹊淖兓兓１敬卧O(shè)計的系統(tǒng)可以滿足此要求，調(diào)頻控制程序見圖4。

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)置電機的頻率最小為25Hz。

圖3 PLC程序流程圖

圖4 調(diào)頻控制程序

此裝置使用變頻器上RH、RL和RM組合來控制通斷，當(dāng)瓦斯?jié)舛茸兓瘯r，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速可以轉(zhuǎn)換進行調(diào)節(jié)。此程序設(shè)計了5個級別的電機轉(zhuǎn)速，其具體設(shè)計值見表2。

表2 電機轉(zhuǎn)速設(shè)計表

5 結(jié)語

根據(jù)耿村煤礦井下局部通風(fēng)的需要，設(shè)計了PLC控制的變頻調(diào)速的局部通風(fēng)機，此裝置不僅可以及時實現(xiàn)瓦斯排放，保證礦井通風(fēng)的安全性，并且還可以實現(xiàn)用電的經(jīng)濟性。此設(shè)計方法對類似條件下的變頻調(diào)速有很大的借鑒意義，經(jīng)濟和社會意義巨大。

［1］陳延奎.淺談PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計方法［J］.中國科技信息，2009（20）：116-118.

［2］胡濤，蘇建良，石劍鋒.PLC技術(shù)與應(yīng)用及其發(fā)展分析［J］.機床與液壓，2005（12）：135-137.