基于PLC 的通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)自動化功能的設(shè)計與實現(xiàn)

孫偉民

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司教育中心， 山西 太原 030053）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)為綜采工作面的“肺”，其在將新鮮空氣送入工作面的同時，將工作面的粉塵和污濁氣流排出工作面，達(dá)到稀釋工作面有害氣體濃度的目的。為保證工作面的安全生產(chǎn)，要求通風(fēng)系統(tǒng)24 h運行，且在通風(fēng)機(jī)時刻滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)，其耗電量非常大[1]。因此，需根據(jù)工作面需風(fēng)量對通風(fēng)機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行控制，在提升通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)自動化水平的同時，達(dá)到節(jié)能的效果。本文著重對煤礦通風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)進(jìn)行研究。

1 通風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)的理論基礎(chǔ)

根據(jù)通風(fēng)機(jī)葉輪流動方向的不同，將通風(fēng)機(jī)分為離心式、軸流式以及混流式通風(fēng)機(jī)。目前，西山煤電集團(tuán)綜采工作面所采用的通風(fēng)機(jī)為對旋式軸流式通風(fēng)機(jī)。對旋式軸流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 對旋式軸通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

為提升通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的自動化水平的同時達(dá)到節(jié)能的目的，本文將依據(jù)PLC 控制技術(shù)和變頻節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速運行。此外，基于PLC 自動化控制系統(tǒng)通過總線控制技術(shù)實現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信，實時顯示通風(fēng)機(jī)的運行狀態(tài)，并對通風(fēng)機(jī)的故障進(jìn)行實時報警和定位[2]?？傊?，煤礦通風(fēng)機(jī)自動化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制和報警等功能。

對當(dāng)前市場上變頻器品牌調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜合對比各品牌變頻的優(yōu)劣勢并結(jié)合通風(fēng)設(shè)備的控制需求，為通風(fēng)系統(tǒng)的變頻控制所選型變頻器的型號為SJ700 變頻器， 對應(yīng)PLC 控制器的型號為S7-300PLC。

2 煤礦通風(fēng)自動控制系統(tǒng)功能的設(shè)計及選型

自動化控制通風(fēng)系統(tǒng)主要由配電系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成[3]。礦井通風(fēng)機(jī)自動化控制系統(tǒng)的硬件配置如圖2 所示。

圖2 礦井通風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)的硬件配置

目前，西山煤電集團(tuán)井所選型通風(fēng)機(jī)的系列為FBCDZ，具體型號為FBCDZ-2×200。該通風(fēng)機(jī)的葉輪直徑為24 mm，額定功率為200 kW，額定轉(zhuǎn)速為740 r/min。要求備用通風(fēng)機(jī)在常用通風(fēng)機(jī)停機(jī)10 min 內(nèi)啟動運行。

2.1 自動化控制系統(tǒng)PLC 控制器的設(shè)計及選型

通風(fēng)機(jī)自動化控制系統(tǒng)的控制核心為S7-300，基于PLC 實現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)高低壓開關(guān)柜合閘和分閘的控制，實現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)及風(fēng)門的控制，并對通風(fēng)機(jī)電機(jī)軸承溫度、主電機(jī)溫度等故障進(jìn)行監(jiān)測。為PLC 控制器配置PS307 電源模塊、315-2DPCPU 模塊、SM321 數(shù)字量輸入模塊、SM322 數(shù)字量輸出模塊、SM331 模擬量輸入模塊、SM332 模擬量輸出模塊、IM365 接口模塊以及CP343-1 通訊模塊[4]，具體如表1 所示。

表1 PLC 控制器相關(guān)模塊的選型

根據(jù)通風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)的控制需求，為自動化控制系統(tǒng)配置數(shù)字量輸入模塊為96 點，數(shù)字量輸出模塊為48 點，模擬量輸入模塊為8 路，模擬量輸出模塊為4 路。

2.2 自動化控制系統(tǒng)變頻調(diào)速功能的設(shè)計及選型

根據(jù)通風(fēng)機(jī)在工作面的配置情況及每臺通風(fēng)機(jī)配置兩臺電機(jī)的情況，采用“一拖一”的控制原則實現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制，具體控制思路如圖3所示。

圖3 通風(fēng)機(jī)“一拖一”變頻調(diào)速控制

如圖3 所示，每臺電機(jī)由單獨的變頻器進(jìn)行控制，1 號通風(fēng)機(jī)為主用通風(fēng)機(jī)，2 號通風(fēng)機(jī)為備用風(fēng)機(jī)。根據(jù)變頻器結(jié)構(gòu)的不同可將其分為交- 交變頻器（直接變頻器）和交- 直- 交變頻器（間接變頻器）。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的變頻器為間接變頻器。根據(jù)變頻器選型經(jīng)驗和市場調(diào)研，選擇三菱公司的FR-E500 變頻器。該變頻器具備RS485通信功能，可對多段速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，用戶可對上限頻率和下限頻率進(jìn)行設(shè)定，并可根據(jù)通風(fēng)機(jī)的運行狀態(tài)完成瞬間停電后再啟動的功能[3]。

2.3 自動化控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的設(shè)計及傳感器選型

通風(fēng)機(jī)自動化控制系統(tǒng)還包含對電機(jī)軸承溫度和主電機(jī)溫度的監(jiān)測和控制。針對通風(fēng)機(jī)主電機(jī)溫度采用PT100 鉑熱電阻進(jìn)行采集，該溫度傳感器的量程范圍為-50～150 ℃。采用EDA9018 溫度采集模塊對通風(fēng)機(jī)軸承溫度進(jìn)行監(jiān)測。

此外，通風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制需根據(jù)工作面的需風(fēng)量和實時通風(fēng)量進(jìn)行控制。其中，采用LLD-EX 微壓差變送器實時對通風(fēng)量進(jìn)行監(jiān)測，并由EDA9017 模擬量采集模塊對所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳送至PLC 控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]。

為實時顯示通風(fēng)機(jī)的運行參數(shù)及故障信息，基于總線通信控制技術(shù)通過上位機(jī)實時顯示通風(fēng)機(jī)運行參數(shù)，并對故障狀態(tài)進(jìn)行報警。為上位機(jī)配置觸摸屏并將其與PLC 控制系統(tǒng)連接，通過上位機(jī)實現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的控制。

3 通風(fēng)機(jī)自動化控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

根據(jù)通風(fēng)機(jī)自動化控制系統(tǒng)的控制需求及PLC控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)以及監(jiān)測控制系統(tǒng)的總體設(shè)計，設(shè)計如圖4 所示的通風(fēng)機(jī)自動化控制系統(tǒng)主界面。

圖4 通風(fēng)機(jī)自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖4 所示，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)工控機(jī)和PLC 控制系統(tǒng)之間的通信，即將通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場所采集的數(shù)據(jù)通過PLC 處理后在工控機(jī)上進(jìn)行實時顯示，與此同時PLC 控制系統(tǒng)將所采集到的數(shù)據(jù)與工作面需風(fēng)量進(jìn)行對比得出對應(yīng)的控制策略以實現(xiàn)對現(xiàn)場變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制，從而達(dá)到對通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。此外，作業(yè)人員可觸摸屏將控制指令傳送至PLC 控制器進(jìn)而實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。

綜上所述，將通風(fēng)機(jī)PLC 控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、在線監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵分系統(tǒng)通過以太網(wǎng)通信控制技術(shù)實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的自動化控制。

4 結(jié)論

1）工作面通風(fēng)機(jī)采用“一備一用”的原則進(jìn)行配置，并為其每臺通風(fēng)機(jī)配置兩臺電機(jī)；

2）以S7-300PLC 和SJ700 變頻器為核心實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的自動化控制，使得通風(fēng)機(jī)能夠通過工作面需風(fēng)量和實時通風(fēng)量對通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，在實現(xiàn)自動化控制需求的同時達(dá)到節(jié)能的目的。

3）基于以太網(wǎng)通信技術(shù)實現(xiàn)上位機(jī)與PLC 控制系統(tǒng)的通信，使得工控機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)顯示現(xiàn)場設(shè)備的運行參數(shù)，并對故障信息進(jìn)行報警的功能。

（編輯：趙婧）