煤矿主扇风机变频控制系统设计.pdf

2 0 1 9年第1 0期 煤矿主扇风机变频控制系统设计 李晓强 阳泉煤业 集团 有限责任公司技术中心 山西阳泉0 4 5 0 0 0 摘 要 针对煤矿主扇风机工频运行时耗电量巨大、 故障率较高的问题, 提出基于变频控制以及P L C控制技术的 主扇风机变频控制方案。重点对方案中的P L D C控制单元和变频器控制单元进行详细设计与分析。实际 使用情况表明, 所设计方案能够达到节能降耗的目的, 保证主扇风机稳定、 连续运行。 关键词 变频控制;P L C控制; 主扇; 节能降耗 中图分类号 T D 6 3 5 D O I 1 0.1 9 7 6 9/ j . z d h y .2 0 1 9.1 0.0 3 9 0引言 矿井通风系统的作用是向井下输送新鲜空气, 排出 粉尘以及有毒有害气体, 调节矿井风量、 温度和湿度, 改 善井下工人劳动环境, 保证煤矿安全生产。矿井通风机 分为主扇风机和局扇风机两种。主扇风机用于全矿井的 通风, 风流量大; 局扇风机用于对矿井的局部地点进行通 风, 风流量较小。主扇风机在工作时72 4h运转, 耗电 量巨大。传统主扇风机采用直接启动方式, 启动电流较 大, 对主扇风机的机械磨损严重; 调节风量时, 采用人工 方式将风门挡板关小, 或人工改变主扇风机的运行状 态[ 1 - 2]。上述控制方式不仅劳动强度大、 自动化程度低, 而且电能浪费也十分严重。将变频调速技术应用于主扇 风机, 不但能达到节能降耗的目的, 而且能实现主扇风机 的软启动和无极平滑调速; 变频启动时, 能够减少主扇风 机的启动时间, 延长机械部件的使用寿命; 将P L C控制 技术与变频技术结合, 实现主扇风机风量的自动调节; 利 用变频器对主扇风机的过流、 过压、 短路保护等功能, 可 提高主扇风机运行的安全性和稳定性。国内外多个研究 机构都致力于将变频技术、P L C控制技术应用于矿井主 扇风机的控制, 实现主扇风机运行的智能化、 稳定性, 节 约耗电量, 提高主扇风机运行效率[ 3]。 1P L C控制单元 1.1模块配置 主扇风机变频控制系统中的P L C控制单元采用西 门子S 7 - 3 0 0P L C控制器, 实现对主扇风机的逻辑控制以 及对风机的变频控制。P L C控制系统模块配置如图1所 示 电源模块P S 3 0 7为P L C控制器提供直流5V或直流 2 4V电源;C P U采用C P U 3 1 5 - 2D P模块, 该模块是一个 拥有3 8 4 KB Y T ER AM并支持P R O F I B U S - D P通信的 高性能处理器; 数字量输入模块为扩展的三个S M 3 2 1, 数 字量输出模块为扩展的两个S M 3 2 2, 另外还有扩展的模 拟量 输 入 模 块S M 3 3 1以 及 模 拟 量 输 出 模 块S M 3 2 2。 P L C控制器系统分两个机架进行安装,1机架与2机 架之间通过接口模块I M 3 6 5进行扩展和通信。通信模块 C P 3 4 3 - 1用于以太网通信, 将主扇风机工作时的所有参 数以T C P/I P模式发送给远程监控平台。 图1 P L C控制单元模块配置 P L C控制单元与变频之间采用M o d b u sR TU方式 进行控制和参数传递, 即P L C控制器将控制变频器的启 动、 停止、 加速、 减速、 复位等控制指令以M o d b u sR TU数 据帧格式发送给变频器。变频器接收到该数据后进行解 析, 并实时对风机进行逻辑控制; 同时, 变频器将主扇风 机运行时的状态参数以及故障代码以M o d b u sR TU数据 帧格式发送给P L C控制器, 由P L C控制器对其数据进行 解析并参与逻辑控制。 1.2I/O地址分配 根据主扇风机变频控制系统需求, 对数量输入/输出 点、 模拟量输入/输出点进行地址分配以及设计。在本系 统中, 一共有数字量输入点9 6个, 数字量输出点3 2个, 模拟量输入点8个以及模拟量输出点4个。P L C控制单 元的I/O地址分配 部分 如表1所示。 2变频器控制单元 2.1变频控制方案 选择变频器时, 其额定电流要大于主扇风机的额定 电流, 且需要保证变频器运行时频率不能过低, 本系统中 选用日立S J 7 0 0变频器[ 4 - 5]。变频器运行频率过低时会 使主扇风机温升加剧, 影响甚至损坏电机设备。主扇风 机采用两台防爆对旋式轴流通风机, 用一备一。每一台 主扇风机由两台电动机相对安装构成, 如图2所示, 并且 每一台电动机由一台变频器控制, 控制一台对旋主扇风 机, 即“ 一拖一” 变频控制。 701 工矿自动化 自动化应用 收稿日期 2 0 1 9 - 0 8 - 2 6 作者简介 李晓强 1 9 7 9 , 男, 山西阳泉人, 大学本科学历, 毕业于太原理工大学电气工程及其自动化专业, 机电工程师, 主要 从事煤矿机电及装备制造科研工作。 2 0 1 9年第1 0期 表1 P L C控制单元I/O以及地址分配表 部分 序号名称符号地址序号名称符号地址 1 自动启动 S B 1I 0.061风机频率反馈AM I 1P I W 4 3 2 2 自动停止 S B 2I 0.171风机速度反馈AM I 2P I W 4 3 4 3 复位 S B 2I 0.281风机转速给定Q I 1P QW 4 3 6 4 风机选择 S A 1I 0.39AH 1高压柜合闸KA 1Q 3 2.0 5 变频器故障 E 8 3I 1 0.31 0AH 1高压柜分闸KA 2Q 3 2.1 图2 变频器“ 一拖一” 控制原理 对主扇风机进行变频控制时, 变频器接收的输入信 号主要有变频器正转启动、 反转启动、 变频器停止运行、 变频器复位等数字量信号。变频器的输出信号主要有母 线电压、 输入电流、 故障代码、 频率反馈、 编码器反馈速 度、 输出转矩等。 2.2变频器运行方式 S J 7 0 0变频器的运行方式有三种, 在进行控制方式设 计时, 可自由使用。第一种为由变频器的操作手柄给定 变频器运行指令和频率指令, 即通过操作手柄上的数字 按钮即可实现对变频器的运行控制; 第二种为由完成配 线的控制回路端子台给定变频器运行指令和频率指令, 端子台外接启动开关按钮、 频率设定装置等; 第三种为由 操作手柄和控制回路端子台共同完成对变频器运行指令 和频率指令的给定。本方案中采用第二种变频器运行 方式[ 6]。 2.3变频器参数设定 对主扇风机进行变频控制前, 必须对变频器参数进 行设定, 如果不对变频器参数进行设定或设定不合理, 会 造成变频器不满足方案设计要求, 出现电机无法启动, 甚 至造成电器元器件的损坏。在进行变频器参数设定时, 关键参数主要有运行方式、 启动频率、 频率上限、 频率下 限、 过电压抑制值、 过热抑制值以及电机参数、 通信方式 等。表2为本主扇风机变频控制方案中S J 7 0 0变频器部 分参数设定表。 3应用情况 设计并实现的主扇风机变频控制方案在阳煤石港矿 进行为期一年的工业试验, 并对用电数据进行统计。该 矿采用工频控制主扇风机时, 日耗电为2 09 0 0. 7 8k W, 采 用变频控制主扇风机后, 日耗电为1 29 8 0. 3 6k W。节电 率为 2 09 0 0.7 8-1 29 8 0.3 6 /2 09 0 0.7 83 7.4 0。以 电价0. 5 5元/k Wh为基准, 主扇风机工频耗电费为 2 09 0 0 .7 8 0 .5 5 1 14 9 5 .4 3元, 变频耗电费为1 29 8 0 .3 6 0 .5 5 71 3 9 .2 0元, 每天节省电费1 14 9 5 .4 3-71 3 9.2 0 43 5 6.2 3元, 一年节省电费43 5 6.2 33 6 51 59 0 0.2 4.6 8 元。主扇风机采用变频控制方案后, 不仅达到了节能降 耗的目的, 而且主扇风机运行稳定、 故障率低、 机械损 耗小。 表2 S J 7 0 0变频器部分参数设定表 代码功能名称参数范围初始值设定值 A 0 0 1 运行方式选择 0 1控制回路端子台 0 2操作手柄 0 3R S - 4 8 5 0 20 1 A 0 0 3 第一基本频率 3 0H z 最高频率6 0H z5 0H z A 0 6 1 第一频率上限启动频率频率上限 0.0 0H z3 0H z A 0 6 2 第一频率下限频率下限最高频率 0.0 0H z1 2 0H z B 1 3 1 过电压抑制值 6 6 07 8 0V7 6 0V7 8 0V B 0 2 1 过热抑制值 0.2 0*额定电流1.0 0额定电流 变频器额定电流 6 0 0A 下转第1 2 0页 801 自动化应用 工矿自动化 2 0 1 9年第1 0期 行椭圆拟合定位中心, 将其作为真实的虹膜中心数据, 如 图5中绿色﹢标记; 而利用本文算法得到的虹膜中心数据 作为预测值, 如图5中标记, 误差定义为前者与后者差 值的绝对值。示例结果和累积误差分布图如图5和图6 所示。 图5 虹膜中心拟合效果图 图6 虹膜检测方法的累积误差分布图 由图6可以看出虹膜中心估计的误差有一半以上集 中在1个像素以内, 少部分集中在2个像素以内, 与文 献[ 7]中所提出的算法的准确度比较如表1所示。 表1 虹膜检测方法的误差比较表 累计误差分布/ 方法 1 1.5 2 本文算法 5 88 59 5 文献[7]算法5 57 58 6 3结语 本文提出了一种基于图像梯度的精确虹膜中心定位 的新算法。该算法针对每个像素, 计算预测中心点的位 移向量与图像梯度之间的平方点积, 所得的最大的位置 即对应虹膜模型中心点, 所提出的算法产生的计算复杂 度低且具有如下优点 1 能在所得图像分辨率较低的基础上完成虹膜中 心的精确定位; 2 基于图像的灰度梯度原理使得该算法对于光照 变化具有一定的鲁棒性; 3 满足一定的实时性要求, 大约为2 0f p s。 参考文献 [ 1]孙作巍.虹膜图像处理与特征匹配算法的研究[D].长春 吉林大学, 2 0 0 8. 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T h e4 t hI n t e r n a t i o n a lW o r k s h o po nP e r v a s i v eE y e T r a c k i n ga n d M o b i l e E y e - B a s e dI n t e r a c t i o nP E TME I 2 0 1 4 ,2 0 1 41 1 1 3 - 1 1 2 1. 上接第1 0 8页 4结语 煤矿主扇风机采用变频控制技术, 能够有效降低风 机耗电量, 达到节能减排的目的; 能够实现风机的软启动 以及无极平滑调速; 降低主扇风机的故障率, 保证主扇通 风系统稳定运行。所设计方案经过实际使用后, 其结果 表明采用变频控制的主扇风机运行状况良好, 达到预期 设计目标。 参考文献 [ 1]孙旻, 任吉海, 董翠霞.变频技术在煤矿主扇风机节能改 造中的应用[ J].工矿自动化,2 0 1 0,3 62 1 0 0 - 1 0 1. [ 2]王云龙, 姜华.变频器应用于矿井主扇风机的经济技术分 析[ J].煤矿机电,2 0 0 16 1 3 - 1 5. [ 3]李秀珍.中压变频器在煤矿主扇风机调速节能改造中的应 用[ J].煤矿机械,2 0 1 4,3 59 2 1 7 - 2 1 9. [ 4]段志远.煤矿主扇风机在线监测系统的应用[J].自动化应 用, 2 0 1 92 5 7 - 5 8. [ 5]廉原原.煤矿主扇风机自动化控制与监控[J].河北能源职 业技术学院学报, 2 0 1 2,4 52 5 9 - 6 06 4. [ 6]陈 琳, 韩 振 兴.高 压 变 频 器 在 煤 矿 提 升 系 统 中 的 应 用 [ J].煤矿机械,2 0 1 1,3 25 2 0 2 - 2 0 3. 021 自动化应用 计算机与信息技术