基于PLC的煤礦主通風機變頻電控系統(tǒng)改造設(shè)計

林豐應(yīng)

（福建省華廈能源設(shè)計研究院有限公司，福建 福州 350004）

1 概述

煤礦主通風機及其配套電氣控制設(shè)備的好壞，不僅關(guān)系著井下工作人員的生命安全和礦井生產(chǎn)安全，還關(guān)系著礦井的電能消耗和生產(chǎn)成本[1]。福建省天湖山能源實業(yè)有限公司含春煤礦+875m風井裝備兩臺FBCDZ-№14型礦用防爆對旋軸流式主通風機（一用一備，單臺風機電動機功率2×45kW，電壓380V），風機電控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的繼電器、電抗器降壓啟動方式。自從設(shè)備投入運行以來，存在以下缺點和不足：

（1）在兩臺主風機輪換開機及每年一次的反風演習過程中，由于系統(tǒng)需要控制對旋式通風機的一級電動機、二級電動機、風門（風機電動蝶閥）等多個設(shè)備的開/停（關(guān)），二次回路涉及的按鈕、行程開關(guān)、繼電器/輔助觸點較多，線路連接復(fù)雜，操作步驟繁瑣，故障率較高，維護困難。

（2）采用電抗器降壓啟動對電網(wǎng)沖擊較大，風機的風量調(diào)節(jié)困難，設(shè)備能耗大。

（3）主通風機工作狀態(tài)主要依賴值班人員的定時巡查，各種運行數(shù)據(jù)靠人工記錄分析，不利于安全管理，無法實現(xiàn)遠程監(jiān)測和控制。

隨著自動化、智能化技術(shù)不斷發(fā)展，可編程邏輯控制器PLC被廣泛應(yīng)用于工業(yè)各種環(huán)境下的自動控制系統(tǒng)中。本文針對上述問題，運用PLC和變頻器等先進技術(shù)，提出了基于PLC的含春煤礦主通風機變頻電控系統(tǒng)改造設(shè)計方案。

2 風機電控一次回路改造方案

礦井主通風機原有電控系統(tǒng)一次部分主要由隔離開關(guān)(QS)、斷路器(QF1)、接觸器(KM1～KM5)、自耦變壓器(T)、熱繼電器(FR)等電器組成，采用降壓啟動方式。為了提高系統(tǒng)的安全可靠性，改造保留原有電控系統(tǒng)不變，另裝上一套上海沃陸電氣公司生產(chǎn)的VOL600T0450P型變頻器（適配電機45kW）和PLC控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)自動控制的同時又與原系統(tǒng)互為備用。一次接線如圖1虛線框內(nèi)所示。

圖1 系統(tǒng)改造一次接線方案

3 PLC控制系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)控制方案

為提高主風機電控系統(tǒng)的安全可靠性，充分發(fā)揮變頻器的調(diào)速和保護功能齊全的優(yōu)越性能，本次改造二次控制回路方案采用PLC作為控制核心，實現(xiàn)風機風門開/關(guān)、風機開/停、反風及聯(lián)鎖控制等操作自動化，利用風速、風壓（負壓）、溫度等傳感器和變頻器自帶的電量采集等功能對主風機的運行狀態(tài)、相關(guān)電量參數(shù)進行檢測和調(diào)節(jié)，通過PLC的強大邏輯控制功能和遠程通訊技術(shù)結(jié)合礦井的生產(chǎn)需要對主風機的工作狀態(tài)進行監(jiān)測、控制，通風機房可以無人值守，從而實現(xiàn)主風機的高效、安全、可靠、節(jié)能運行的目標。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本次改造系統(tǒng)硬件部分主要有 PLC主控制器、模擬量輸入和輸出擴展模塊、供電電源等。其PLC控制回路接線圖如圖2所示。系統(tǒng)以無錫信捷電氣公司XC2-42T-E高性能運動控制型PLC作為控制核心，配置XC-E4AD-H右擴展4通道模擬量輸入模塊（外接為風速、負壓、溫度傳感器）和XCE4DA-H右擴展4通道模擬量輸出模塊（分別與4臺變頻器的GND和CCI端子進行連接控制其輸出頻率）構(gòu)成控制系統(tǒng)。

圖2 風機PLC控制回路接線圖

1SBl～7SB2、1SA、1TA、2TA分別為不同開關(guān)量輸入信號的操作按鈕，3TA～6TA 為變頻器工作狀態(tài)的開關(guān)量反饋輸入信號，AI0～AI3接系統(tǒng)檢測傳感器輸入端子，中間繼電器KMl～KM8分別驅(qū)動四臺變頻器FWD和REV端子控制對旋風機的兩臺電動機正、反轉(zhuǎn)，KAl～KA4 分別控制兩臺風機的電動風門（蝶閥）開啟和關(guān)閉，蜂鳴器的作用是故障時起到報警作用。PLC主控制器的電源為AC220V，系統(tǒng)其他的DC24V直流電源由開關(guān)電源提供。

3.3 PLC的I/0 分配表

根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，在PLC外接電路設(shè)計中共有 24路輸入和21路輸出，其輸入接口和輸出接口分配詳見表1。

3.4 PLC與變頻器的外部連接

本次改造主控制器配備無錫信捷公司XC2-42T-E型PLC，配上XC-E4AD-H右擴展4通道模擬量輸入模塊（外接為風速、負壓等傳感器）作為風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量的輸入信號,通過XC-E4DA-H右擴展模塊輸出模擬量以調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從而實現(xiàn)對主通風機正轉(zhuǎn)（抽風）、反轉(zhuǎn)（反風）的開/停、調(diào)速（調(diào)節(jié)風量）、遠程監(jiān)測和自動控制等功能。現(xiàn)以1#變頻器的二次接線為例，PLC主控制器與變頻器的二次線路連接如圖3所示。

圖3 PLC與變頻器二次接線圖

表1 PLC輸入/輸出接口分配表

3.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件控制程序采用XCPPro軟件以梯形圖方式進行編寫，針對煤礦生產(chǎn)對主通風機的正轉(zhuǎn)、逆轉(zhuǎn)操作、自動控制需要和高效、安全、可靠、節(jié)能運行要求，設(shè)計高可靠、可操作和易維護性軟件系統(tǒng)，其主要功能說明如下：

（1）系統(tǒng)提供先進且易于使用的圖形狀態(tài)顯示、人機互動界面功能，有手動/自動控制工作模式、遠程通訊以及故障報警等功能；提供系統(tǒng)實時監(jiān)測、設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)等信息共享、交流、查詢與檢索等功能，讓使用者能隨時查詢、分析、存儲各種運行數(shù)據(jù)，監(jiān)測、控制設(shè)備運行狀態(tài)，可實現(xiàn)自動控制（無人值守），制作、打印所需的報表。

（2）正常工作風機與備用風機的風門具備互鎖功能，風機風門（電動蝶閥）只有在通風機主電動機處于斷電停機狀態(tài)下方可開啟或關(guān)閉。

（3）通風機正常工作設(shè)置為一臺工作一臺備用，當通風機滿足系統(tǒng)設(shè)定的啟動邏輯條件時方可啟動。風機具備正、反轉(zhuǎn)互鎖功能，當需要改變運轉(zhuǎn)方向時，必須先將其停止運行后，方可改變工作過程。

（4）系統(tǒng)能根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)定風機的風量或壓力值，并通過外部各傳感器監(jiān)測結(jié)果自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率以控制風機電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風機高效節(jié)能運行（自動方式）, 手動方式時有防止風機頻繁啟動功能。

（5）當主通風機出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動報警并發(fā)出指示信號。當風機軸承或定子溫度超過設(shè)定的溫度上限時，PLC將自動切斷當前運行風機，自動切換接入另一臺風機投入運行（手動方式需值班人員手動切換）。

4 結(jié)語

基于PLC的變頻電控系統(tǒng)改造在含春煤礦+875m風井主通風機上實施取得非常好的應(yīng)用效果，礦井另一個風井也在進行類似的改造。該項改造不僅一次接線簡單，系統(tǒng)保護功能齊全，操作更加靈活、方便、自動化，風機啟動平穩(wěn)，能實時監(jiān)測、遠程監(jiān)測和控制風機運行狀態(tài)，還實現(xiàn)了每年省電約7.5萬kWh（節(jié)約15%～20%的電能）。該改造不僅有效降低了礦井主通風機發(fā)生故障的概率，提高風機電控系統(tǒng)的安全、可靠性和自動化水平，而且實現(xiàn)礦井主通風機高效、安全、可靠、節(jié)能運行的目標，為小型煤礦主通風機電控系統(tǒng)改造提供參考和借鑒。