基于PLC 的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在生輝礦井主通風(fēng)機(jī)上的設(shè)計(jì)應(yīng)用

趙憲東

（山西臨汾西山生輝煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000）

礦井主通風(fēng)機(jī)素有礦井肺腑之稱，通風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是保證礦井安全生產(chǎn)的重要手段。通風(fēng)機(jī)的主要功能是負(fù)責(zé)向煤礦井下輸送新鮮風(fēng)流、排出粉塵和有毒有害氣體。由于煤礦井下的生產(chǎn)環(huán)境惡劣，一旦發(fā)生主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行故障，會(huì)對(duì)礦井的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅。保證礦井主通風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是礦井安全、高效開采的基礎(chǔ)。

隨著，變頻調(diào)速技術(shù)也煤礦機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用推廣，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井風(fēng)量的有效調(diào)節(jié)，保證主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)。生輝礦采用基于PLC 的變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)礦井的主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)踐取得良好效果，就統(tǒng)計(jì)年節(jié)約電費(fèi)支出約60 萬元，同時(shí)變頻調(diào)速技術(shù)在主通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用還大幅提升煤礦的智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)水平，體現(xiàn)出節(jié)能降耗效果，具有顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

2 礦井主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

結(jié)合生輝礦的工程實(shí)際，對(duì)主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的總體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)交流電源頻率與轉(zhuǎn)速之間存在相對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過調(diào)節(jié)電源頻率從而實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到變頻調(diào)速的目標(biāo)。通風(fēng)機(jī)作為礦井的重要電能消耗設(shè)備，采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造可有效調(diào)節(jié)風(fēng)量、提升工作效率、節(jié)約電能，同時(shí)變頻調(diào)速技術(shù)具有：調(diào)節(jié)速度范圍大，轉(zhuǎn)速控制精度高。啟動(dòng)電流低，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及電網(wǎng)不會(huì)造成沖擊，節(jié)點(diǎn)效果明顯。調(diào)節(jié)速度時(shí)系統(tǒng)平滑性好，效率高；低速時(shí)，靜關(guān)率較高，穩(wěn)定性好。變頻設(shè)備體積小，便于安裝與維修。

2.2 變頻設(shè)計(jì)架構(gòu)

山西臨汾西山生輝煤業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱生輝礦）結(jié)合礦井實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩大部分，設(shè)計(jì)了2 臺(tái)PLC 變頻器，通過瓦斯傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域瓦斯?jié)舛葦?shù)值的采集，到達(dá)模擬量的信號(hào)傳遞目的，以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制、自動(dòng)切換和智能化監(jiān)控。

圖1 礦井主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)架圖

由圖1 可知：變頻控制系統(tǒng)的瓦斯傳感器R0、R1和壓力傳感器R2分別對(duì)井下掘進(jìn)工作面、回風(fēng)巷及局部通風(fēng)機(jī)處的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至A/D 轉(zhuǎn)化器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，再傳輸至PLC 變頻器中，轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)，與系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的斷電瓦斯?jié)舛戎颠M(jìn)行比較分析，確定其是否斷電。其中，礦井采掘進(jìn)工作面采集的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化、PLC 處理與其內(nèi)部設(shè)置的臨界瓦斯?jié)舛戎迪啾容^，通過對(duì)比分析后，PLC 變頻器發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變頻調(diào)速。在運(yùn)行過程中，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換控制主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)對(duì)瓦斯的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警、變頻器故障報(bào)警和通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)故障報(bào)警等預(yù)警提示，由此保證礦井主通風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備選型設(shè)計(jì)

3.1 變頻器的設(shè)備選型

針對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)的實(shí)際工況，變頻器需滿足50 Hz 或60 Hz 的工頻電源轉(zhuǎn)換成各種頻率的交流電，達(dá)到電機(jī)變速運(yùn)行要求。因此變頻器在設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)特別注意：根據(jù)具體工程需要，確定變頻器的控制方式是恒壓控制還是恒流控制。確定變頻器的負(fù)載類型，注意負(fù)載特性曲線。控制高速電機(jī)，選擇容量稍大的變頻器。控制長(zhǎng)期低速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，變頻器選擇加大變速比方式，使電機(jī)在較高頻率下工作，等事項(xiàng)。

生輝礦通過調(diào)研，選擇了Siemens Gl20 型變頻器，該變頻器具有很強(qiáng)的控制能力、信息交流能力和安全保護(hù)能力，其具體技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 Siemens Gl20 西門子變頻器參數(shù)表

3.2 PLC 控制器的選型

PLC 控制技術(shù)是以繼電器接觸控制技術(shù)基礎(chǔ)，以微處理器為核心發(fā)展起來的工業(yè)控制裝置，PLC結(jié)構(gòu)主要由存儲(chǔ)器、微處理器和電源等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，其按照控制規(guī)律可分為小型、中型和大型機(jī)器，其中輸入/輸出總點(diǎn)數(shù)在256 點(diǎn)以下為小型機(jī)，總點(diǎn)數(shù)在256～1 024 之間為中型機(jī)，總點(diǎn)數(shù)大于1 024 為大型機(jī)[1-3]，PLC 具有如下特征：

1）PLC 技術(shù)可靠性高，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

2）采用梯形圖進(jìn)行編程，編程簡(jiǎn)單易學(xué)。

3）PLC 控制技術(shù)功能繁多，配套使用模板齊全，使用方便。

4）接線簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，一般設(shè)計(jì)周期較短。

5）PLC 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，耗能低。

根據(jù)PLC 控制器具有的特征，結(jié)合生輝礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件，礦井主通風(fēng)機(jī)控制器選型原則有三點(diǎn)：一是選用功能齊全，性能穩(wěn)定的；二是根據(jù)主通風(fēng)機(jī)使用環(huán)境、維修率選擇PLC 的結(jié)構(gòu)形式；三是根據(jù)礦井通風(fēng)機(jī)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)選擇高、低檔位機(jī)器。通過調(diào)研最終選用西門子S7-200 系列的PLC 控制器。

圖2 PLC 基本機(jī)構(gòu)組成示意圖

3.3 瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟x型與安裝

瓦斯?jié)舛葌鞲衅髦饕糜诒O(jiān)測(cè)工作面回風(fēng)巷、掘進(jìn)工作面和局部通風(fēng)機(jī)附近的瓦斯?jié)舛?，其安裝位置對(duì)于根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度有重要影響。

針對(duì)生輝礦的瓦斯分布情況和涌出特性，瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲬?yīng)選擇主動(dòng)連續(xù)進(jìn)行瓦斯監(jiān)測(cè)敏感型傳感器，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)KG9701 型低濃度沼氣傳感器，具有瓦斯主動(dòng)連續(xù)檢測(cè)特性，性能可靠、具有較強(qiáng)的抗干擾能力。此外該傳感器自帶電子顯示屏，可時(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)處瓦斯?jié)舛戎?，并與傳感器系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的瓦斯?jié)舛扰R界值相比較分析，進(jìn)而準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)出報(bào)警提示。其主要性能參數(shù)如表2 所示。

表2 KG9701 型瓦斯傳感器技術(shù)參數(shù)

生輝礦結(jié)合實(shí)際工程條件，瓦斯傳感器R0安裝在掘巷工作面端口5 m 處，在回風(fēng)巷安裝瓦斯傳感器R1，在進(jìn)風(fēng)巷局部通風(fēng)機(jī)出口末端安裝壓力傳感器R2，瓦斯傳感器的安裝示意圖如圖3 所示。

圖3 瓦斯傳感器安裝示意圖

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)主要控制程序設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由主控程序、A/D 轉(zhuǎn)化程序、瓦斯?jié)舛炔杉绦驑?gòu)成，彼此相互配合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)化和智能化監(jiān)控。

4.1 主控程序設(shè)計(jì)

主控程序作為礦井通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心程序，對(duì)于控制程序的調(diào)用及相應(yīng)功能的運(yùn)行起重要作用。通過主控程序的指令傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)、報(bào)警和風(fēng)機(jī)通風(fēng)量調(diào)節(jié)。具體流程如圖4 所示。

圖4 主控程序流程圖

4.2 A/D 轉(zhuǎn)化程序設(shè)計(jì)

A/D 轉(zhuǎn)化程序是將傳感器采集的信息進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化，并與程序內(nèi)部設(shè)置的斷電瓦斯?jié)舛戎颠M(jìn)行比較分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)EM255 元件連接情況及是否進(jìn)行斷電控制判斷。

4.3 瓦斯?jié)舛炔杉绦蛟O(shè)計(jì)

瓦斯?jié)舛炔杉绦蚴菍?duì)礦井瓦斯主要來源處及瓦斯?jié)舛戎攸c(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行瓦斯?jié)舛炔杉木珳?zhǔn)性程序，通過該程序的使用，不僅使變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)機(jī)及時(shí)的進(jìn)行調(diào)速控制，而且做到對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛葧r(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集，并進(jìn)行瓦斯?jié)舛绕骄档挠?jì)算，使煤礦更好地掌握井下的瓦斯?jié)舛茸兓怠?/p>

5 結(jié)語

生輝礦設(shè)計(jì)的礦井主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可有效地控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)、計(jì)算、報(bào)警及控制等功能，其在通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用，大大增強(qiáng)了礦用通風(fēng)機(jī)通風(fēng)量的智能化監(jiān)測(cè)精度，提高了通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)效果和井下作業(yè)安全，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。