基于PLC的風機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計

中國質(zhì)量認證中心 曹文燕

0 引言

對于傳統(tǒng)風機控制方式，風機長期處于全功率下運行，為滿足煤炭安全設計規(guī)程對礦井通風的要求，一般采用調(diào)節(jié)導葉角方式控制風量及風壓，造成大量電能浪費。在煤炭生產(chǎn)過程中，對通風機的控制除電能存在浪費現(xiàn)象外，還存在一定的環(huán)境污染問題。一般煤礦采用抽出式通風方式，通風機將礦井巷道里的空氣抽出，排放到大氣中，其中必然包含大量的粉塵及甲烷、一氧化碳等大量可燃的有害氣體，造成空氣污染。鑒于以上問題，對煤礦通風系統(tǒng)的改造是很有必要的。并且目前煤礦礦井通風系統(tǒng)，大多仍采用繼電、接觸器控制系統(tǒng)，但這種控制系統(tǒng)存在著體積大、機械觸點多、接線復雜、可靠性低、排除故障困難等很多的缺陷；且因工作通風機一直高速運行，備用通風機停止，不能輪休工作，易使工作通風機產(chǎn)生故障，降低使用壽命。

針對上述這一系列問題，本系統(tǒng)將PLC與變頻器有機地結(jié)合起來，采用以礦井氣壓壓力為主控參數(shù)，實現(xiàn)對電動機工作過程和運轉(zhuǎn)速度的有效控制，使礦井中的通風機通風高效、安全，達到了明顯的節(jié)能效果。PLC控制系統(tǒng)具有對驅(qū)動風機的電機過熱保護、故障報警、機械故障報警和瓦斯?jié)舛葦嚯姷裙δ芴攸c，為煤礦礦井通風系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造提供一條新途徑。

1 系統(tǒng)設計功能

本控制系統(tǒng)具有通風機組的啟動、互鎖和過熱保護等功能。與常規(guī)繼電器實施的通風系統(tǒng)相比，PLC系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護方便等諸多優(yōu)點，PLC的控制功能使通風系統(tǒng)的自動化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動強度。PLC和變頻器與空氣壓力傳感器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風機運行的故障率大大降低，不僅節(jié)約了電能，而且還提高了設備的運轉(zhuǎn)率。為滿足礦井通風系統(tǒng)自動控制的要求，系統(tǒng)的具體設計要求如下：

（1）本系統(tǒng)提供手動/自動2種工作模式，具有狀態(tài)顯示以及故障報警等功能。

（2）模擬量壓力輸入經(jīng)PID運算，輸出模擬量控制變頻器。

（3）在自動方式下，當井下壓力低于設定壓力下限時，2組風機將同時投入工作運行，同時并發(fā)出指示和報警信號。

（4）模擬量瓦斯輸入，當?shù)V井瓦斯?jié)舛却笥谠O定報警上限時，發(fā)出指示和報警。當瓦斯?jié)舛却笥谠O定斷電上限時，PLC將切斷工作面和風機組電源，防止瓦斯爆炸。

（5）運用溫度傳感器測定風機組定子溫度或軸承溫度，當定子溫度或軸承溫度超過設定報警上線時，發(fā)出指示和報警信號。當定子溫度或軸承溫度超過設定風機組轉(zhuǎn)換溫度界線時，PLC將切斷指示和報警信號并自動切斷當前運行風機組，在自動方式下并能自動接入另一臺風機組運行，若在手動方式下，工作人員手動切換[1]。

（6）為防止風機的疲勞運行，在任何狀態(tài)下，風機在累計運行設定時間后都會自動切換至另一臺風機組運行。

2 系統(tǒng)方案設計

2.1 系統(tǒng)整體設計

通風控制系統(tǒng)主要由2臺風機組成，每臺風機有2臺電機，每臺電機驅(qū)動一組扇片，2組扇片是對旋的，一組用于吸風，一組為增加風速，對井下進行供風。根據(jù)井下用風量的不同，采用不同型號的風機。本設計以風機2×45 kW為例，選用一臺S72200 PLC、空氣壓力傳感器和變頻器等組成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中還包括接觸器、中間繼電器、熱繼電器、礦用防爆型磁力啟動器、斷路器等系統(tǒng)保護電器，實現(xiàn)對電機和PLC的有效保護，以及對電機的切換控制。本PLC控制系統(tǒng)具有對通風機的電動機啟動與運行，進行監(jiān)控、聯(lián)鎖和過熱保護等功能。PLC與空氣壓力傳感器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風機運行的故障率大大降低，提高了設備的運轉(zhuǎn)率[2]。其控制系統(tǒng)方案設計圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)方案設計

為滿足煤礦礦井通風系統(tǒng)自動控制的要求，設計如下的控制方案：本系統(tǒng)提供手動/自動2種工作模式，具有現(xiàn)場控制方式、狀態(tài)顯示以及故障報警等功能。

在手動方式下，通風機通過開關進行控制，不受礦井內(nèi)氣壓的影響。為防止通風機疲勞運行，在任何狀態(tài)下風機在累計運行設定時間后要切換至另一臺風機運行。A組通風機與B組通風機可由二位開關轉(zhuǎn)換。循環(huán)次數(shù)及定時時間可根據(jù)需要隨機設定。報警信號均為聲光形式，聲報警（電笛）可用按鈕解除，報警指示在故障排除后自動消失。

在自動方式下，利用遠傳空氣壓力傳感器檢測礦井內(nèi)的氣壓信號，用變送器將現(xiàn)場信號變換成統(tǒng)一的標準信號（如4～20mA直流電流信號、0～5V直流電壓信號等），送入A/D模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入PLC，PLC將檢測到的氣壓值與設定的氣壓值進行比較和處理，輸出信號控制通風機工作。當?shù)V井內(nèi)的氣壓在一個大氣壓或在設定的某個大氣壓力數(shù)值以上，工作通風機與備用通風機循環(huán)工作；當出現(xiàn)突發(fā)事故，礦井內(nèi)的氣壓低于設定的某個大氣壓力數(shù)值，工作通風機與備用通風機不再循環(huán)工作，并自動切換為同時工作，加大對礦井內(nèi)的通風量，直至礦井內(nèi)的氣壓升至設定的大氣壓力數(shù)值以上，工作通風機與備用通風機恢復循環(huán)工作[3]。

在有瓦斯的礦井供風系統(tǒng)中，礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測瓦斯?jié)舛?，用變送器將現(xiàn)場信號變換成統(tǒng)一的標準信號，送入A/D轉(zhuǎn)換模塊進行模式轉(zhuǎn)換，然后送入PLC，同樣PLC將檢測到的數(shù)值與設定的數(shù)值進行比較，當瓦斯?jié)舛却笥谠O定數(shù)值后，PLC輸出信號控制通風機停止工作，并輸出信號自動切斷井下的電源，滿足風電聯(lián)鎖要求，以免電子火花點著瓦斯，防止瓦斯爆炸事故發(fā)生。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

2.2.1 系統(tǒng)主電路

圖2 I/O接線圖

系統(tǒng)主電路由4臺電動機，一臺智能型電控柜（包括西門子變頻器、PLC、交流接觸器、繼電器等），一套壓力傳感器、斷相相序保護裝置以及供電主回路等構(gòu)成。該系統(tǒng)的核心是S7-200（CPU224）和M ICROMASTER430。M ICROMASTER 430是泵和風機類專用變頻器，擴展功能強[4]。CPU224集成了14點輸入10點輸出，共有24點數(shù)字量I/O，其模擬量擴展模塊具有較大的適應性和靈活性，且安裝方便，滿足設計需要。其系統(tǒng)主電路圖分別如圖2和圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主電路

2.2.2 系統(tǒng)控制電路

如圖4所示，Q0.0～Q0.7為PLC輸出軟繼電器觸點，其中Q0.0、Q0.2、Q0.4、Q0.6控制變頻運行電路；Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7控制工頻運行電路。SA為轉(zhuǎn)換開關，實現(xiàn)手動、自動控制切換。當SA切在手動位時，通過SB1～SB4按鈕分別起動4臺水泵工頻運行，SB5～SB8按鈕分別停止4臺風機工頻運行。當SA在自動位時，由PLC控制水泵進行變頻或工頻狀態(tài)的起動、切換、停止運行。

圖4 系統(tǒng)控制電路

2.3 系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)除部分為順序控制外，從總體上來看具有隨機離散控制的特點。控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的流程圖如圖5所示。設定由瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱾魉蛠淼耐咚節(jié)舛戎禐镈，用戶設定不能超過的瓦斯?jié)舛戎禐镈0，氣壓傳感器傳來的壓力為F1，用戶要求的礦井內(nèi)氣壓值為F2。

圖5 系統(tǒng)總流程圖

由圖5可知，按下啟動鍵后，首先檢測是否手動，如果是則手動控制操作，否則就自動正常運行；接著檢測礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛戎岛痛髿鈮毫χ?，進行處理判斷。若D>D0，則通風機與礦井下供電電源聯(lián)鎖停止工作并報警，否則比較判斷F1與F2的大小，若F1>F2，進入風機輪休控制子程序，啟動A風機，A風機運行一定時間后，啟動B組風機工作，A組風機停止。否則2臺通風機同時參與工作。

3 總結(jié)

利用PLC變頻器和風機通風系統(tǒng)進行節(jié)能技術(shù)改造，不僅簡化了系統(tǒng)，提高了設備的可靠性和穩(wěn)定性，設備的操作和維護方便，節(jié)省能耗，同時也大大地提高了煤礦生產(chǎn)的安全系數(shù)。另外還可以根據(jù)需要配置相應的通信模塊，很方便地組成集散式控制系統(tǒng)，進行遠程監(jiān)控現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，具有一定的推廣價值。

[1]殷洪義．可編程控制器選擇、設計與維護[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2002．

[2]周九寧．可編程控制器在礦山設備中的應用[J]．采礦技術(shù)，2004，4（1）：45-46．

[3]彭桂力，劉知貴．集中供熱鍋爐控制系統(tǒng)的PLC控制[J]．電力自動化設備，2006（9）：75-77．

[4]馬寧，孔紅．S7-300PLC和MM 440變頻器的原理與應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2006．