PLC变频调速系统在煤矿通风机中的应用.pdf

第 7期 2 01 5年 7月 山 西 焦 煤 科 技 S ha n x i Co k i n g Co a l S c i e n c e ＆ T e c h n o l o g y NO ． 7 J u 1 ． 2 0 1 5 技术经验 P L C变频调速系统在煤矿通风机中的应用 杨 景 阳泉煤业集 团 机 电动 力部 ， 山西 阳泉0 4 5 0 0 0 摘 要 以阳煤 集 团一矿 为试 验 背景 ， 设 计 了 P L C控 制 的 变 频调 速 器 ， 并将 其 运 用 到矿 井通 风 机 中， 以瓦斯作为控制参数来实现变频调速， 使通风机的电机转速 能随要 求实时调整， 达到通风的经 济性 和安 全性 。结果表 明 P L C变频调 速 系统运 用在 煤 矿 通 风机 中 ， 不仅 可 以 实现 瓦斯 及 时排 放 ， 保 证 了矿 井通 风 的安全 性 ； 同 时 P L C控 制 技 术 与 变频 器 结合 使 用 ， 可 以 实现 对 井下通 风 系统 的 实时监 控 ， 减 少 了通风 系统检 修 的工 作量 。 关 键词 通 风机 ； P L C； 变频调 速 ； 瓦斯 ； 控 制 中图分 类号 T D 6 3 5文献 标识 码 B文章 编号 1 6 7 2 0 6 5 2 2 0 1 5 0 7 0 0 2 2 0 3 阳 煤 一 矿 位 于 阳 泉 市 西 北 2 0 k m。 井 田 面 积 8 3 ． 6 k m ， 地质储量 1 0 ． 6亿 t ， 可采储量 6 ． 4亿 t ． 该矿 井开采 3 、 1 2 、 1 5 层 煤 ， 煤层 平均 厚度 分别 为1 ． 5 6 m、 1 ． 2 4 m、 4 ． 2 0 m． 全 矿 共 有 5个 回 风 井， 总 进 风 量 4 5 1 0 0 m ／ m i n ， 总回风量为 5 0 0 0 0 m ／ ra i n ， 绝对瓦斯 涌 出量 1 6 5 ． 7 6 m ／ mi n ， 相对 瓦 斯 涌 出量 1 4 ． 0 5 m ／ t ， 二氧化碳 绝对涌 出量 9 ． 9 4 m ／ m i n ， 二 氧化碳相对 涌 出 量 0 ． 8 4 m ／ t ， 为高瓦斯矿井 。随着煤 炭开 采深 度 的增 加 ， 瓦斯浓 度急剧增加 ， 已成为威 胁该 矿井安 全生产 的 主要因素。做好通风工作是处理瓦斯的主要措施 ， 然 而瓦斯浓度是一个变化的量 ， 随着采掘工作中各因素 的影响其浓度变化很大。因此， 实现井下局部通风机 电机随巷道内的瓦斯浓度实时调整， 来 控制巷道 内的 风量 ， 从而达 到 控制 瓦斯 浓度 的 目的。P L C是一 种 新 型的控制装 置 ， 并 且在 各个 行 业 的 电气 控 制 中运 用 已 经相当广泛 ， 其不仅能对复杂逻辑进行控制 ， 还可以在 各个控制 中实现顺序 与定时功能。本文将 P L C和变 频 器结合起 来进 行设 计 ， 以瓦 斯浓 度 为控 制参 数 来 调 节 风机 电机 ， 实现风量 的 自动化控 制 ， 这样 不仅 实现 了 瓦斯 的 自动排放 ， 而且还 达到 了节 能的 目的。 1 P L C控 制技 术在 矿 井通风 机 中的应 用 在 以 P L C为 基 础 的控 制 系 统 中 ， 电路 的开 关 动 作基 本上 都是 由半 导体 电路 实现 ， P L C在设计 时 考虑 了其各 种工 作环境 ， 保 证在 各种 条件下 都 能可靠 的工 作。P L C已经模块化与系列化 ， 产品用户在使用时可 以根据 自身 的要求 对其 进行 灵活设 置 ， 硬件 装置 不再 需要 制作 ， 使 用 时 只 需 要 设 计 程 序 即 可 满 足 不 同要 求 。P L C使用的是梯形图编程语言 ， 与传统的接触器 控 制 电路 相 似 ， 容 易 掌 握 。其 输 入 输 出 功 能 比较 完 善 ， 不仅 可 以逻辑化 控 制 大 量 开 关 ， 还 可 以进 行 各 个 电路 的运 算 和控制 。在 输人 输 出方面 ， 其可 以很 方便 地 与各种 类 型的接 口连 接 。 变频 调 速 技 术 可 以根 据 要 求 来 改 变 电 源 频 率 以 达 到改 变 电机 转 速 的 目的 。通 风 机 是 煤 矿 设 备 的 必要 设 备 ， 且 耗 电量 在 所 有 的矿 用 电气 设 备 中最 大 ， 因此 ， 在 矿 用 通 风 机 上 推 广 使 用 变 频 器 对 于 节 能 的意 义 重 大 。 将 其 运 用 到 通 风 机 上 可 以 实 现 风 机无 极 调 速 ， 根 据 生 产 要 求 实 时 调 整 风 量 ， 减 少 电 能损 耗 。变 频器 还 可 以在 风 机 启 动 时 限 制 电 流 ， 减 少 峰值 功 率 损 耗 ， 避 免 在 电 机 启 停 时 对 设 备 的 冲 击 ， 减 少 设 备 的 损 耗 。变 频 器 有 很 多 的 保 护 功 能 ， 对保 证 风 机 的 安 全 运 行 有 积 极 作 用 。 P L C与 变 频 器结 合 使 用 ， 可 以 实 现 对 井 下 通 风 系 统 的 监 控 ， 减 少 了通 风 系统 检 修 的工 作 量 。 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 0 2 作者简介 杨琛 1 9 8 0 一 ， 男， 山西寿 阳人 ， 2 0 0 4年毕业于 山西农业大学 ， 工程师 ， 主要从 事煤矿及部分非煤企业与机电相关 的管理工作 E～ma i l s x y q k x f j 1 2 6 ． c o rn 2 0 1 5年第 7期 杨 绿 P L C变频调速 系统在煤矿通风机 中的应用 2 3 2控 制 系统 基本原 理 系统结 构示 意 图见 图 1 ． AC3 8 0V 图 1 系统结构示意 图 P L C作 为此 系统 的 主控单 元 ， 局部 通风 机 的 电机 作 为此 系统 的被控 单 元 ， 电机 的运 行 为 变频 运 行 ， 控 制参数 为瓦斯 的浓 度 。采 用 的 P L C的 型号 为 F X 2 N一 3 2 M， 以 F X 2 N一4 AD作 为 A ／ D模 块 ， 采 用 的变 频 器 型号 为 F RA 5 4 0 ． 当瓦斯 浓度变 化 时 瓦 斯传 感 器 可 以将 信 号 通 过 A ／ D传递 给 系统 ， 并 且 通 过 P L C进 行 分 析运 算 把 控 制指 令输 送 给 变 频 器 ， 这 样 就 能 实 现 电 机 转 速 的控 制 ， 从 而实 现 了控制 的最 优化 。此 系统 可 以在工 频 和 变 频 之间进 行切 换 ， 在 电机 的变频 器发 生故 障或 者需 要 电机长 时 间工频运 行 时 ， 系统 可以 自动将 其转 换至 工 频 ， 此 系统有 手动 与 自动 两 种调 节方 式 ， 手 动 方 式 下可以人为控制电机 的启停等功能， 从而提高电机的 可 控制 性 。 3控 制 系统硬 件 电路 此 P L C系 统硬件 组 成 的 电路 见 图 2 ， I ／ O地 址 表 见表 1 ． 表 1 I ／ O 地 址 表 图 2控制系统硬件 电路示 意图 此 系统 可 以使用 手 动方式 来 调节 变频 器 的频 率 ， 也 可通 过变 频器 自带 的功 能来 进行设 置 。 4 P L C程序 设计 本 次设计 的 P L C程序 流程 图见 图 3 ． 根据相关规程规定 ， 在瓦斯浓度超过 1 ． 5 ％时需 要排 放 瓦斯 。 因此 ， 为 了节 能 ， 在 瓦斯 浓度 1 5 ％ 时 ， 通 风机提 供 的风量 应该 随着 瓦斯 浓度 的 变化 而变化 。 本次 设计 的 系统 可 以满 足此 要求 。 此外 ， 由 于通 风 不 仅 要满 足 排 放 瓦斯 的要 求 ， 还 有 除尘等 要求 ， 所 以 ， 根 据 需 要设 置 电机 的频 率 最小 为 2 5 Hz ． 此装 置使 用 了变 频器上 R H、 R L和 R M 组合 来控 制通 断 ， 在 瓦斯浓度 变 化时 风机 的转速 可 以转换 进行 调节 ， 此程 序设 计 了 5个 级 别 的 电机 转 速 ， 其 具体 设 计值 见表 2 ． 5应 用效 果分 析 阳泉 一矿 风机 技改 前使 用工 频直 接启 动 ， 启 动 电 2 4 山 西 焦 煤 科 技 2 0 1 5年第 7期 图 3 P L C程序 流程 图 流大， 产生的机械冲击 对设备损伤严重 ， 同时调节风 量方 式依 赖 于传统 的风 门 ， 控 制 精 度 很低 ， 造成 设 备 损耗和能源浪费 ， 从而导致设备使用寿命缩短 ， 生产 成本增加。为实现节能 降耗 ， 使用 P L C变频调速设 备 ， 风 机 由 2 7 5 k W 异 步 电机 拖 动 ， 运 行 一 段 时 间 后 ， 经过整体情况和工频运行 比较 ， 将运行频率设定 表 2电机转速设计表 在 3 0 Hz 单机 运 行 就 能满 足 供 风量 。使 用 变 频 器 后 在满 足矿 井通 风质量 前提 下 ， 根 据公 式 1 一 『 1 其中 P b p 为 变 频 时 消 耗 功 e ， 率 ， p 为电源额定频率 ， 3 0， 5 0 经估算 ， 单机节 电率为 7 8 ． 4 ％ ， 可 以看出通过变 频器的使用 ， 实现了节能降耗 ， 降低 了吨煤成本 ， 提高 了企 业经 济效 益 。 通过对矿井通风机消耗功率分析可知 ， 改变变频 器 的频率 ， 准确 调节 矿 井 通 风 机 的风 量 ， 不 仅 可 以实 现 瓦斯及 时排 放 ， 保 证 了矿 井 通 风 的安 全 性 ， 还 可 以 节约 电能 。 因此 ， 变 频器 的运 用能够 达 到矿井 通 风机 安全 、 投资少 、 效益高 、 见效快 的效果。 参 考 文 献 [ 1 ] 徐益民 ， 林海鹏 ， 赵汗青． P L C在矿井局部通风机变频调速系统中的应用 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 4 1 2 1 3 I一1 3 2 [ 2 ] 商坤 ， 王建军． 变频调速在煤矿矿井通风机 上的应用 [ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 0 6 0 7 1 82 0 ． [ 3 ] 徐碧云 ， 孙亮． 自动化控制技 术在煤矿通风 系统 中的应用 [ J ] ． 华东科技 ， 2 0 1 4 1 0 3 8 7 ． [ 4 ] 左毅 ， 陈燎原 ， 郑庆国． P L C控制与变频技术在矿井通风机上的应用 [ J ] ． 矿 山机械 ， 2 0 0 8 0 7 1 11 4 ． [ 5 ] 李鹏． 加强煤矿矿井通风安全技 术措施探讨 [ J ] ． 科技创新与应用 ， 2 0 1 4 2 8 1 2 01 2 2 ． Ap p l i c a t i o n o f PLC Va r i a b l e Fr e q u e n c y S pe e d Co n t r o l S y s t e m i n Co a l M i n e Ve n t i l a t o r YANG J i n g Abs t r ac t Ta k e s t h e f i r s t mi n e o f Ya n g q u a n c o a l i n d u s t g r o u p a s t h e e x p e r i me nt a l b a c k g r o u n d，d e s i g n s f r e qu e n c y c o nv e r s i o n g o v e r n o r whi c h c o n t r o l s b y PL C，a n d a p p l i e s t o t h e mi ne v e n t i l a t o r ． Th e g a s i s a s t h e c o n t r o l p a r a me t e r t o r e a l i z e fr e q u e n c y c o n t r o l ， t o r e a l i z e t h e m o t o r s p e e d o f v e n t i l a t o r c a n b e a d j u s t e d w i t h r e q u i r e d i n r e a l - t i m e a n d a c h i e v e t h e e c o n o my a n d s a f e t y o f v e n t i l a t i o n．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t he PLC fre q u e n c y c o n t r o l s y s t e m u s e s i n c o a l mi n e v e n t i l a t o r ，n o t o n l y r e a l i z e s g a s e mi s s i o n i n t i me，e n s u r e s t he s a f e t y o f mi ne v e n t i l a t i o n，bu t a l s o r e a l i z e s r e a l t i me mo n i t o r i ng o f t h e un d e r g r o un d v e n t i l a t i o n s y s t e m ，r e d u c e s t h e wo r k l o a d o f v e n t i l a t i o n s y s t e m ma i n t e na n c e b y U s i n g P LC c o nt r o l t e c h n o l o g y a n d c o mb i n i n g De qu e n c y c o nv e r t e r ． Ke y wor ds F a n；PL C；F r e q ue n c y c o n t r o l ；Ga s；Co n t r o l