煤矿通风机中PLC变频调速系统的应用.pdf

FORUM 论 坛 工 艺 70 / 矿业装备 MINING EQUIPMENT 煤矿通风机中PLC变频调速系统的应用 □ 张鑫磊 山西正诚矿山安全技术研究所（有限公司） 一般矿井中使用的通风机是通过电机进行运转的，而 将通风机的风量设定成最大也是很常见的情况，这会使通 风机长时间处于低负荷运行，从而导致效率低下、系统不 稳定、易出故障等状况。通过调整通风机电机转速可以使 其达到最佳运行状态，目前常用的调速技术主要分为转子 串电阻调速、电压调速、变频调速以及串级调速等。经过 试验证明，变频调速是最直接有效的的方式，一方面可以 对风机电机的无极变频调速以及风量进行控制，另一方面 还能降低通风机电机的耗电量。 1 PLC 技术简述 PLC 就是可编程控制器的英文首字母缩写，其将现 在的自动化技术、计算机技术以及微处理技术进行了融合 而发展出来的一种控制器，兼具编辑的功能。它选用的储 存器可以进行编程，主要结构由电源、中央处理单元、功 能模块、存储器以及通信模块等组成。可以储存内部程序， 执行逻辑运算，控制顺讯以及进行各种面向用户的计数和 操作指令，还能通过数字模拟来交换和控制机械的生产过 程。PLC 控制系统的可靠性非常高，而且安装或者维护都 十分方便，有很强的抗干扰能力，调试的周期也较短，多 种优势使其被广泛应用到工业控制领域。 2 PLC 控制技术在矿井通风机中的应用 使用 PLC 变频调速系统，目前，PLC 已经系列化和 模块化，根据自身的要求，用户可以进行更加灵活的设 置，而且不需要制作硬件装置，只用对程序进行设计既可。 PLC 使用的梯形图编程语言非常容易掌握，而且有更加 完善的输出功能。在通风机上应用，对风机进行无级调速， 结合生产要求，对风量进行调整，降低了电能的消耗。同 时，还包括很多保护设备，电机的使用寿命大大提高，而 且运行起来更加安全，配合上监控系统，就可以对井下通 风机的情况进行实时监测。 应用变频调速技术，可以将电源频率进行改变，可 以将电机的转速进行改变。在煤矿设备中，通风机是必要 的设备，而且在所有矿用电气设备中，其耗电量是最大 的。所以，应用变频调速具有非常重大的现实意义，结合 不同的生产要求，对风量进行及时的调整，控制电能的损 耗。变频器的应用，在风机启动时，还能对电流进行合理 的限制，峰值的功率损耗也大大降低了，当电机出现启停 时，也减少了对设备的冲击。另外，PLC 变频调速系统中 还有很多保护功能，足以应对风机出现的常规问题，使得 风机的运行更加安全稳定。另外，PLC 变频系统中的监控 系统可以实现对井下通风系统的监控，对于通风系统检修 工作来说，大大减少了工作量。 根据煤矿安全规程 的规定，在使用矿井电机和开 关工作处等地方，对于其周围 20 m 的范围，一旦瓦斯浓 度≥ 1.5，就要立刻切断电源，避免出现瓦斯爆炸。现 在很多矿井的条件都比较复杂，需要对不同瓦斯浓度区域 进行划分，可以采用模糊控制法，对于瓦斯浓度不同的地 区，对变频器模拟供电电源频率以及电压值进行制定，这 样就可以使输入电压的频率发生改变，进而对通风机进行 调速。结合复杂的矿井情况，设定如下 瓦斯浓度 00.5 时，控制供电电源的频率在 30 Hz，变频器的输入电压为 6 V ； 瓦斯浓度 0.50.8，供电频率是 34 Hz，输入电压 6.8 V ；瓦斯浓度 0.81.0，电源频率是 40 Hz，输入电压 8 V ； 瓦斯浓度在 1.01.3，电源频率 46 Hz，输入电压 9.2 V ； 瓦斯浓度 1.31.5 之间时，电源频率 50 Hz，输入电 压 10 V。 3 PLC 变频调速系统设计 3.1 主 控 制 程序 在 P L C 控 制程序中，分为 主控制程序、子 程序以及各种中 断程序。通过主 程序，可以满足 对风机进行变频 以及控制子程序 和中断程序，实 现各种保护功能。图 1 PLC 主控制程序流程图 2018.4 矿业装备 / 71 在执行主程序之前，先要判断风机的自动变频，如果风机 是自动变频的，那么就会启动初始化，并对子程序进行检 查，如果子程序的运行稳定，而且变频器也没有出现故障， 纳闷风机的变频调速控制就会启动 [4]。结合矿井的实际瓦 斯情况，对各程序进行控制。如果风机无法自动变频，要 判断其是不是手动变频，根据手动变频的情况，诊断变频 器的故障，判断矿井的瓦斯浓度，如果各项都达标，就可 以继续工频运行，如果出现瓦斯超标等现象，要及时中断。 3.2 控制系统硬件电路 图 2 是 PLC 系统中硬件组成的电路图。在 PLC 控制 系统中，可以通过手动的方式来调节变频器的频率，同时 也可以通过变频器自带的功能实现。 3.3 PLC 程序设计 本次设计的 PLC 程序流程图如下图 3。按照相关的标 准，当瓦斯浓度达到 1.5 时，就需要通过通风机来排放瓦 斯。为了节能，当瓦斯浓度＜ 15 时，根据瓦斯浓度的变 化，通风机要提供不同的风量。在通风机中应用上 PLC 变 频调速系统，可以满足这 个要求。 通风机的作用不止是 排放瓦斯，而且还要进行 除尘等，为此，电机的频 率最小为 25 Hz。PLC 变频 调速系统中，食用了 RM、 RL 以及 RH 组合，对通断 进行控制，当瓦斯浓度发 生变化时，系统就可以相 应的调整风机的转速。 3.4 在线检测功能 主 扇 风 机 作 为 矿 井 主要通风设施，在煤矿安 全中占有举足轻重的作用。 对它运行状况的控制和实时监测，能够全方位了解、判 断设备运行状况，对隐性故障可以提前预警和监测，对 已发故障可以协助技术人员快速的确诊设备故障点，从 而保证煤矿安全连续生产。 4 PLC 控制变频调速通风机系统的应用 案例 在通风机技术改造背景下山西某矿对所用通风机 进行改造，系统控制对象为三台对旋式通风机。期间综 合应用先进的变频技术、现场总控技术以及组态检测技 术，以上机位 PLC 联合变频器作为控制系统的基础 模式。上机位与一台编程 PLC 进行通讯。采用以太网协 议，以硬连接形式接通变频器，以此实现对风机系统的 控制及监控。该工程所选 PLC 采用 H 系统 S7-400H，其 可靠性较高，此外还有电池模块 PS407、通讯同步模块以 及 CPU，变频器采用西门子罗宾康变频器公 6 台，变频 器负责控制 6 台电机的启动及关闭。为了确保控制效果， 特该系统共有三种控制方式，分别为上机位控制、就 地控制以及操作台控制，三种控制方式下能够灵活控制 变频器使其带动电机，最终完成软启动及工作模式切换。 在软件上改系统选择 WINCC 组态软件，且将上机位与 PLC 间的通讯参数以触屏技术给予展现。以模块化编程 对通风机的控制、检测以及故障处理程序进行编制。该 系统与 2011 年 10 月期间投入使用，其运行状态较为平稳， 在对通风机的控制及检监测方面表现出较高的使用价值。 5 PLC 变频调速系统在煤矿通风机中的 应用效果 对技术进行改造，基于 PLC 控制的变频调速技术， 应用到矿井通风机中，大大提高了通风机的使用寿命， 而且运行也更加的稳定，不易出现问题。另外，变频调 速的应用，通风机可以进行平滑无级启动，还能进行自 动调速，大大减少了通风机的能源消耗，有利于煤矿企 业节能减排，提高经济收益。我国对节约能源法进 行补充，给予变频调速技术很大的重视，将其作为今后 重点的节能推广技术。同时，近些年，我国的煤炭形势 有些下滑，将 PLC 变频调速系统应用到煤矿企业的通风 机中，不仅节能减排，而且通风机的使用寿命和性能也 得以提高，有利于缓解煤炭形式下滑的趋势，帮助煤矿 企业更加健康的发展。 〔张鑫磊（1989） ，男，山西省忻州市五台县人〕图 3 PLC 程序流程图 图 2 控制系统硬件电路示意图