基于PLC控制的变频调速通风机系统.pdf

2020 年第 9 期2020 年 9 月 在煤矿生产过程中，为了获得新鲜空气的补充，需 要利用通风机进行空气循环，从而为井下提供安全的环 境。通常，通风机运行环境条件比较差，并且需要长时 间地工作，通风机功率较大，导致通风机出现故障。 针对上述通风机故障问题，本文提出了一种利用 PLC、结合变频器实现的通风机变频控制系统，通过利 用实时监测的通风机风量、风压等系统参数，经过系 统软件计算以后对变频器转速进行调整，达到目前所 需要的最优状态，在实现通风系统节能的同时降低系 统的故障率。另外，通过上位机实现对系统当前状态 的实时监控[1]。 1控制系统整体方案 本文设计的控制系统硬件主要包括 PLC、变频器、 传感器、台达触摸屏等。控制系统核心部分采用西门 子 S7-300 系列 PLC；变频控制部分采用西门子 MM430 型号的变频器；另外，需要利用传感器对通风机的风 量、风压进行监测；为了实现人机交互控制，本文采 用台达触摸屏作为人机交界面互实现实时监控。图 1 所示为设计的通风机变频控制系统框图。PLC 与变频 器之间采用一路串口通信，PLC 与触摸屏之间采用另 一路串口通信。 1.1系统控制功能 1.1.1手动控制 本文设计的控制系统同样设计有手动控制方式， 在需要对旁路变频器进行人为控制运行时可以选择手 动控制。手动控制需要在触摸屏进行设置，而且需要现 场操作人员确认。触摸屏选择手动控制以后就会发送相 应的信号到 PLC，PLC 与变频器进行通信实现运行、加 速、减速、停止控制[2]。 图 1通风机变频控制系统框图 1.1.2全自动控制 当系统选择为全自动运行方式时，PLC 根据现场通 风机监测传感器监测到的实时信号，包括风压、风量信 息，计算当前所需要的风量，并计算出当前通风机运行 的速度，通过与变频器通信实现对变频器输出频率的调 整。同时，当传感器监测到通风机出现故障时，比如监 测到风量、风压异常信号，就会通过触摸屏显示当前故 障并报警，提示工作人员进行处理。 1.1.3系统自诊断 在投入使用之前，变频控制系统根据各部分传感器 监测到的信号做出判断，当无法满足启动要求时，系统 就会发出故障信号，同时在触摸屏显示故障内容，通知 操作人员进行处理。故障处理完成后需要进行故障复 位，系统进行二次监测且达到启动要求以后才会运行。 收稿日期2020-03-19 作者简介武秀奎，1978年生，男，山西交城人，2013年毕业于太 原理工大学采矿工程专业，工程师。 基于 PLC 控制的变频调速通风机系统 武秀奎 （ 山西焦煤西山煤电股份有限公司古交煤焦分公司，山西 古交 030200 ） 摘要 利用西门子 S7-300 系列 PLC，结合变频器开发控制系统，实现对煤矿通风系统的精准控制。系统上位机利用 台达触摸屏，系统控制算法利用主通风机风压与风量的关系实现 PID 控制，通过对变频器的控制，从而实现对通风量的 实时动态调整，实现煤矿通风机的可靠、平稳运行。 关键词 PLC；变频调速；通风机；变频器；触摸屏 中图分类号 TD441文献标志码 A文章编号 2095-0802-202009-0018-02 Variable Frequency Speed Regulating Ventilator System Based on PLC Control WU Xiukui Gujiao Coal and Coke Branch Company of Xishan Coal Electricity Group Co., Ltd., Shanxi Coking Coal Group, Gujiao 030200, Shanxi, China Abstract Siemens S7-300 series PLC and inverter were used to develop control system to realize precise control of coal mine ventilation system. The upper computer of the system used DELTA touch screen, the system control algorithm used the relation- ship between the main ventilator air pressure and air volume to achieve PID control, through the control of the frequency converter, so as to realize the real-time dynamic adjustment of the ventilation volume and realize the reliable and stable operation of the coal mine ventilator. Key words PLC; variable frequency speed regulating; ventilator; frequency converter; touch screen （总第 180 期） 能源研究 瓦斯浓度监 测系统 触摸屏 火灾报警 系统 PLC变频器通风机 传感器 系统 18 2020 年第 9 期2020 年 9 月 1.1.4通风机转向转速控制 a 正反转控制。在正常工作状态下，通风机为正 向旋转，实现矿井的通风；当系统监测到矿井发生火 灾事故后，需要控制通风机反转，通过触摸屏与矿井 中的火灾监测系统通信实现通风机转向的转换，同时 在触摸屏显示当前通风机旋转方向[3]。 b 瓦斯联动控制技术。矿井中的瓦斯浓度监测报 警系统同样与触摸屏进行通信。当瓦斯浓度过高时， 报警系统发送信号，触摸屏发出转速提高信号，使矿 井通入的空气量增大，降低瓦斯的浓度，保证生产环 境安全。 1.2通风机变频调速原理 通风机电机为异步电机，因此其转速与供电电源 频率间的关系可以用公式1表述 nn01-s60f/p1-s，1 式1中，n 为通风机的转速，r/min；n0为通风机的同步 转速，r/min；s 为通风机电机的转差率，；f 为供电 电源频率，Hz；p 为通风机电机的极对数。 由公式1可以看出，改变通风机电机的转差率、 电机极对数，或者改变通风机供电电源频率，都可以 使通风机转速改变。通常，改变电机的极对数及转差 率较为困难，改变供电电源频率比较容易实现，并且 可以实现平滑变化。图 2 所示为 PID 闭环控制系统图。 图 2PID 闭环控制系统图 2系统硬件设计 2.1PLC 系统设计 本文设计的系统采用的控制器是西门子 S7-300 系 列 PLC，CPU 型号为 314IFC。PLC 与变频器通信采用 串口通信，PLC 作为主机，变频器作为从机，PLC 将控 制信号发送到变频器，变频器根据 PLC 发送的数据进 行输出转速及转向的控制。PLC 与触摸屏利用另外一组 串口进行数据通信，触摸屏作为主机，PLC 作为从机。 触摸屏通过请求数据获取当前的数据。 2.2数据监测系统设计 系统通过各种传感器、变送器和辅助开关实现对 现场信号的采集。根据系统实际指标、环境条件等来 选择监测器件。西门子 S7-300 系列 PLC 接收压力变送 器测量的 4耀20 mA 标准信号，经过程序运算后，输出 对应变频器的频率控制信号，从而控制矿井通道的通 风量。传感器通过对应的变送器实现对压力、温度等 标准信号的监测，然后通过西门子 S7-300 系列 PLC 进 行程序处理，实现对主通风机的有效控制。通风机轴 承温度、电机轴承温度的测量等，采用 PT100 铂电阻 和温度变送器，将温度信号转化成为 4耀20 mA 的电流 信号；选用 0耀30 mm 位移传感器测量轴承的水平振动 和垂直振动，其输出信号为 4耀20 mA 的标准电流信号； 选用负压传感器测量井下通风巷道负压的变化情况， 测量范围为 0耀5 kPa；通过各辅助开关实现对开关量信 号的采集[4]。 3系统程序设计 3.1PLC 程序设计 根据上述分析，本系统控制模式包括手动控制模 式和全自动控制模式。在全自动控制模式下，需要根 据 PLC 监测到的实时数据对通风机进行控制，通过 PLC 输出的控制信号实现对变频器的控制，从而实现对 通风机的控制。在手动控制模式下，通过触摸屏界面 选择对应的控制按钮发送控制信号，实现对通风机加 速、减速、停机等的控制。在全自动控制模式下，PLC 控制算法的原理如下 a PID 控制算法将监测数值转换成实际值，按照公 式2进行转换 LoutLin-k1/k2-k1LH-LOLO，2 式2中，Lout为输出控制值；Lin为输入信号值；k1，k2 为控制系数；LH为输入上限值；LO为输入下限值。 在双极性 PID 控制算法中，对应的输入值 in 的取 值范围为 -27 648耀27 648，对应的系数 k1为 -27 648， k2为 2 7648。在单极性 PID 算法中，输入范围为 0耀 27 648，对应的系数 k1为 0，k2为 27 648。如果输入 值超过量程 LH，输出就会钳位于 LH值，并且显示超 量程。 b 利用 PLC 内部系统函数实现 PIE 控制，主要实 现过程如下 利用 BOOL 型输入参数 COM_RST 对 PID 进行重新 启动，BOOL 型参数 MAN_ON 可以实现对 PIT 算法的 手动复位，当该数值为 1 时，对应的输出值等于输入 值。PIDCYCLETIMEPID 表示 PID 算法对输入信号的 采样周期；GAIN 为实型数据，表示的是 PID 算法的比 例增益；TIPID 表示算法的积分时间参数；TDPID 表 示算法的微分时间参数。输出参数包括 LMN，是实型 参数，表示的是 PID 算法的输出值。 c 按照公式3将 PID 算法计算以后的实型数值转 换成整型数值 LoutLin-LO/[LH-LOk2-k1]k1。3 3.2触摸屏程序设计 本文设计的人机交互界面是利用组态软件开发的， 通过本文开发的人机交互界面可以实现对系统的实时监 控。触摸屏主界面显示 PLC 当前监测数据，包括风机的 风量、风压、轴温等数据；同时具有历史数据查询功 能，可以将当前系统的各物理量利用数据图予以显示。 变频器 传感器电机 S7-300 PLC （下转 99 页） 武秀奎 基于 PLC 控制的变频调速通风机系统 19 2020 年第 9 期2020 年 9 月 能源知识 （上接 19 页） 另外，可以实现向 PLC 发送通风机全自动控制、手动控 制选择信息。在全自动控制下，可以实现对通风机的全 自动控制；在手动控制下，需要通过触摸屏上启动、加 速、减速、反转、停机按钮实现对通风机的控制。同时， 系统还具备报警功能，当监测到当前通风机出现故障后， 会进行故障报警并进行故障保存，供以后查询。 4结语 利用 PLC、变频器以及触摸屏设计了通风机变频控 制系统，在控制模式上可以实现全自动控制和手动控 制。在实施全自动控制时，利用 PID 算法且通过对通 风机状态参量进行实时监测，可以计算出通风机最佳 转速，并利用 PLC 与变频器实现对通风机的控制。同 时，该系统可以实现与瓦斯报警系统及火灾报警系统 的联动，实现对通风机反向控制及加速旋转的控制， 充分保证矿井生产安全。 参考文献 ［1］ 李星照.基于 PLC 控制的变频调速在矿井通风机中的应用 ［J］ . 煤炭与化工， 2015， 384 109-110. ［2］ 李宁.基于 PLC 控制的变频调速在矿井通风机中的应用 ［J］ . 河南科技， 20153 33-35. ［3］ 申玉川.基于 PLC 控制的变频调速在矿井通风机中的应用 ［J］ . 机械管理开发， 20152 52-53. ［4］ 高盼峰.基于 PLC 的煤矿通风机变频调速控制系统的设计 ［J］ . 机械管理开发， 2019， 3411 201-203. （ 责任编辑刘晓芳 ） b 围岩变形速率监测结果 图 4围岩变形监测结果 随着回采结束，围岩变形速率显著降低，在监测接近 尾声时，围岩变形量趋于稳定，变形速率在 0.01 mm/d 以内。这表明，采用优化后的巷道围岩支护方案，可 以有效应对断层作用下围岩破碎、邻近采面动压影响， 围岩控制取得了显著的效果，可以确保巷道后续的使 用安全。 5结语 a 2 盘区运输巷采用原支护方案围岩变形较大，主 要原因是掘进范围内受 DF113、DF121和 DF1263 条断层影 响，围岩较为破碎，加之邻近回采工作面采动动压作 用，巷道原采用的架棚支护不能抵抗围岩应力，造成 巷道断面收缩量较大，给巷道正常使用带来不利影响； b 针对巷道围岩破碎及动压影响，提出采取以锚注为 核心的围岩支护优化措施，支护后围岩变形量控制在 446 mm 以内，围岩变形得以显著控制，确保了巷道的 使用安全；c 巷道掘进至不受动压影响且围岩较为完 整的区域时，可以继续采取原支护措施。 参考文献 ［1］ 丁可可.煤矿大断面切眼围岩变形破坏特征及支护参数设计 ［J］ . 能源与环保， 2019， 4112 150-153. ［2］ 王肖猛.巷道顶锚杆支护参数的优化设计研究 ［J］ .机械管理 开发， 2019， 3412 33-35. ［3］ 杨宸.煤巷锚杆支护效果评价及合理支护参数优化设计研究 ［D］ . 西安 西安科技大学， 2010. ［4］ 岳崇炎.新桥煤矿 2107 轨道巷支护优化设计 ［J］ .能源与环 保， 2018， 405 208-212. ［5］ 王吉峰.浅埋煤层大断面巷道支护技术优化 ［J］ .煤， 2020， 291 39-41. ［6］ 苏锋.煤巷复合顶板的变形破坏规律分析及合理支护技术研 究 ［D］ .西安 西安科技大学， 2012. ［7］ 武东亮.巷道过断层群稳定性分析及支护技术研究 ［J］ .能源 与节能， 20201 124-125. （ 责任编辑刘晓芳 ） 500 400 300 200 100 KD1 KD2 KD3 0306090120 时间/d a 围岩变形量监测结果 18 12 6 0306090120 时间/d KD1 KD2 KD3 朱洪帅 回采巷道支护方案优化研究 秸秆煤 秸秆煤是指， 用人工的方法使废弃的植物 （秸秆、 野 草、 锯末等） 在短时间内迅速变成在自然界需要经过数 百万年乃至几亿年才能形成的煤， 它具有易燃、 灰分少、 成本低等特点。 秸秆煤可以替代煤炭、石油等作为能源供应能量， 可用于工厂锅炉、 电厂能量、 教育供暖， 还可以把秸秆压 成块， 作为反刍动物的饲料， 适口性好， 易于消化。 国际能源机构的有关研究表明，秸秆是一种很好的 清洁可再生能源， 其平均含硫量只有 3.8译， 而煤的平均 含硫量达 10译以上。 经测定， 秸秆热值约为 15 000 kJ/kg， 相当于标准煤的 50， 相当于民用煤炭的 70。 99