通風機電氣控制系統(tǒng)的改造

劉偉峰

（陽煤寺家莊有限責任公司機運部修配隊， 山西 昔陽 045300）

1 某礦通風機運行現(xiàn)狀分析

某煤礦屬于高瓦斯礦井，在實際生產(chǎn)中所需通風量較大，其對應的耗電量也較大。目前，應用于工作面的通風設備主要有通風機和局部通風機。在設計前期，所選型通風機的容量較大，而且在實際生產(chǎn)過程中工作面瓦斯涌出量不均勻，加之工作面當前生產(chǎn)能力還未達到設計水平，導致通風機和局部通風機的通風能力存在極大的富裕量，從而導致大量電能的浪費。經(jīng)現(xiàn)場測定可知，三條通風線路中通風機運行的最高效率僅為81%，最低效率僅為62%。而且，現(xiàn)場通風機系統(tǒng)不具備調(diào)速功能，綜合與具備變頻調(diào)速功能的通風機相比較，其耗能極為嚴重。因此，隨著煤礦工作面的進一步推進，原通風系統(tǒng)及其電氣控制系統(tǒng)已無法滿足實際生產(chǎn)的需求，急需對原通風系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)進行改造。

2 通風機電氣系統(tǒng)的改造方案

傳統(tǒng)煤礦通風機控制的方式為繼電- 接觸控制系統(tǒng)，在該控制系統(tǒng)下通風機電機的轉(zhuǎn)速恒定，僅通過調(diào)節(jié)風門的大小實現(xiàn)對風量的調(diào)節(jié)。當通風機系統(tǒng)在低負荷運行狀態(tài)下運行時，會造成大量電能的浪費。因此，針對上述問題，本方案擬通過變頻調(diào)速技術根據(jù)工作面負荷對通風機電機轉(zhuǎn)速進行控制。

此外，傳統(tǒng)煤礦缺乏對通風機運行狀態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)，使得工作人員無法精確、及時地掌握通風機的運行狀態(tài)，影響通風機的維護效率，增加其維護成本。因此，本方案將為通風機運行設計一套在線監(jiān)控系統(tǒng)。

綜上所述，通風機電氣控制系統(tǒng)總體改造設計思路如圖1 所示。

2.1 通風機PLC 控制系統(tǒng)的改造

圖1 通風機電氣控制系統(tǒng)總體改造思路

本礦井通風系統(tǒng)所采用PLC 控制器的型號為S7-300。基于PLC 控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對通風機運行狀態(tài)、電機軸承溫度、風門位置等參數(shù)進行控制。為實現(xiàn)變頻調(diào)速控制的功能，PLC 控制系統(tǒng)與變頻調(diào)速控制系統(tǒng)之間基于MODBUS 通信協(xié)議實現(xiàn)通信[1-2]?；赑LC 控制器的選型結果，結合工作面工作環(huán)境特征，為其配置輔助元器件，如表1 所示。

表1 PLC 控制系統(tǒng)元器件選型

2.2 通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)的改造

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)配置的主要任務是完成變頻器的選型。變頻器選型時需綜合考慮通風機的額定電流、通風機電機的額定電壓與變頻器的電壓等級相符以及通風機的額定電流等[3]。綜合分析，最終選擇MM430 變頻器其關鍵參數(shù)如下頁表2 所示。

由于本通風系統(tǒng)含有兩個通風機，每臺通風機設有兩臺電機，故為通風系統(tǒng)配置四臺可獨立運行的變頻器。由于上位機控制對變頻器運行時需要采用RPOFIBUS-DP 協(xié)議，所以在本系統(tǒng)中采用DP 通訊端口。DP 通訊端口要求有純凈的輸入特性、高功率的因素和穩(wěn)定的正弦波輸出等。PLC 控制器與變頻器的連接示意如圖2 所示。

表2 MM430 變頻器關鍵參數(shù)

圖2 變頻器與PLC 控制器連接示意圖

2.3 通風機監(jiān)控系統(tǒng)的改造及傳感器選型

為實現(xiàn)對通風機電機的精準控制，對現(xiàn)場設備的運行參數(shù)進行控制，需為通風機系統(tǒng)設計對應的監(jiān)測系統(tǒng)并配置合理的傳感器。通風機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、控制主機、信息交換組織和PLC 協(xié)議組成，可以實現(xiàn)井下的實時監(jiān)控，為控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)基礎。監(jiān)測系統(tǒng)采用PLC 技術，所以有精度高、抗干擾和穩(wěn)定性高的優(yōu)點。結合通風機電氣控制系統(tǒng)的性能，為其配置如表2 所示的傳感器。

表2 傳感器參數(shù)

系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)主要是對井下通風數(shù)據(jù)和通風機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，包括井下的壓力、有害氣體濃度、風壓和風量等。同時也對控制系統(tǒng)的各個硬件和軟件運行狀況進行監(jiān)控，包括電機溫度、控制后的風壓風量和電機運行參數(shù)。監(jiān)控系統(tǒng)采用觸摸屏和計算機的狀態(tài)軟件來實現(xiàn)，同時具有存儲和數(shù)據(jù)初步分析的功能，其功能結構圖如下圖3 所示。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

3 改造效果分析

3.1 經(jīng)濟效益

本文以三條通風線路中的某個通風機為例對其經(jīng)濟效益進行對比，對比結果如表3 所示：

表3 通風機電氣控制系統(tǒng)改造前后經(jīng)濟效益對比

3.2 技術效益

經(jīng)對工作面通風機電氣系統(tǒng)改造后，實現(xiàn)對通風機的變頻調(diào)速控制，可實現(xiàn)通風機的軟啟動，從而減小電流對工作面電網(wǎng)的沖擊，延長工作面電氣設備的使用壽命，減小其維護周期和費用；經(jīng)改造后，可實現(xiàn)對通風機風量調(diào)節(jié)的自動化控制，且降低設備運行的噪聲，改善工作環(huán)境。