礦用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

李曉君

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司機(jī)電管理處， 山西 大同 037003）

引言

目前，變頻調(diào)速技術(shù)在礦用通風(fēng)機(jī)上應(yīng)用較為廣泛，據(jù)分析，傳統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)控制技術(shù)，其通風(fēng)效果普遍較低，在45%～65%之間，其能量損失較大。變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)提高通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)效果具有明顯效果[1]。

一些大型煤礦企業(yè)的煤礦通風(fēng)機(jī)逐漸使用了變頻調(diào)速技術(shù)，如神火煤礦公司將主通風(fēng)機(jī)改造成變頻調(diào)速技術(shù)后，每年可節(jié)約近50萬(wàn)元的電費(fèi)支出[2]。因此，變頻調(diào)速技術(shù)在通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用，不僅可以提高通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠性和安全性，同時(shí)還可大大節(jié)約企業(yè)成本支出，提高煤礦生產(chǎn)智能化水平。

1 通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)包括了硬件和軟件兩大部分，主要設(shè)計(jì)了兩臺(tái)PLC變頻器，通過(guò)采用模擬量的控制方式實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制和手自動(dòng)一體化的控制切換與故障報(bào)警。

圖1 通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的工作原理為：該系統(tǒng)中的瓦斯傳感器R0、R1、R2分別采集井下掘進(jìn)工作面、回風(fēng)流巷及局部通風(fēng)機(jī)處的瓦斯?jié)舛?，將采集的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化，在PLC變頻器的作用下轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可處理的數(shù)字信號(hào)，由此完成信號(hào)的采集。同時(shí)，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號(hào)與斷電瓦斯?jié)舛扰R界值進(jìn)行分析判斷，由此確定系統(tǒng)是否斷電。而將掘進(jìn)工作面上采集的信號(hào)與其對(duì)應(yīng)的瓦斯?jié)舛扰R界值進(jìn)行對(duì)比，并由此確定井下瓦斯?jié)舛饶M電壓值和風(fēng)量模擬電壓值，通過(guò)兩電壓值的對(duì)比，將大的電壓值輸出至變頻器，驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變頻調(diào)速。在此過(guò)程，可通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，通過(guò)變頻調(diào)速及PLC控制判斷，可使系統(tǒng)針對(duì)不同情況發(fā)出瓦斯?jié)舛葓?bào)警、變頻器故障報(bào)警及通風(fēng)機(jī)故障報(bào)警等報(bào)警提示，由此提高了通風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)安全。

2 通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備選型設(shè)計(jì)

2.1 變頻器選型設(shè)計(jì)

變頻器類(lèi)型包括交直交變頻器、交交變頻器兩種，目前，市場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛的是交直交變頻器。在變頻器選擇時(shí)，可根據(jù)通風(fēng)機(jī)的使用功率、控制系統(tǒng)控制數(shù)量和負(fù)載類(lèi)型，以此確定變頻器的型號(hào)和數(shù)量[3]。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，選用了西門(mén)子的SiemensGl20變頻器，該變頻器具有較強(qiáng)的通訊能力和安全保護(hù)能力，如圖2所示，在使用過(guò)程中更加靈活、可靠、節(jié)能，其具體功能及參數(shù)如下頁(yè)表1所示。

圖2 西門(mén)子SiemensGl20變頻器實(shí)物圖

表1 SiemensGl20變頻器主要性能參數(shù)表

2.2 控制器選型設(shè)計(jì)

PLC是控制器核心基礎(chǔ)，控制器設(shè)計(jì)時(shí)要求PLC具有功能齊全、可操行性強(qiáng)、維護(hù)性高、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，而PLC主要由存儲(chǔ)器、微處理器、電源等組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。PLC在選擇時(shí)，主要依據(jù)如下原則：一是企業(yè)一般選用性能穩(wěn)定、功能齊全的PLC；二是PLC的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)控制系統(tǒng)使用環(huán)境的復(fù)雜性和可維修性來(lái)確定；三是PLC型號(hào)可根據(jù)控制系統(tǒng)需要的功能多少來(lái)確定選擇高檔機(jī)或低檔機(jī)[4]。因此，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合工程實(shí)際，選用了西門(mén)子S7-200系列的PLC類(lèi)型。

圖3 PLC基本結(jié)構(gòu)組成圖

2.3 瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟x型設(shè)計(jì)

井下發(fā)生煤礦事故的主要因素是瓦斯?jié)舛冗^(guò)大，因此，瓦斯?jié)舛仁强刂葡到y(tǒng)檢測(cè)的重要對(duì)象。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，選用了KG9701型低濃度沼氣傳感器，如圖4所示。該傳感器可主動(dòng)連續(xù)的對(duì)井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行信號(hào)采集，并將采集的瓦斯?jié)舛饶M信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以供控制系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理分析；同時(shí)，該傳感器自帶顯示屏，可對(duì)檢測(cè)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行直觀顯示，并與設(shè)置的瓦斯?jié)舛扰R界值進(jìn)行判斷，進(jìn)而發(fā)出報(bào)警提示，具有功能齊全、一機(jī)多用、性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)、操作方便等特點(diǎn)。目前，廣泛應(yīng)用于機(jī)電硐室、煤礦掘進(jìn)面等領(lǐng)域。其主要性能指標(biāo)如表2所示。

2.4 傳感器安裝位置設(shè)計(jì)

傳感器位置的正確安裝，直接影響著控制系統(tǒng)對(duì)井下通風(fēng)情況的監(jiān)測(cè)精度。因此，需對(duì)通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中傳感器安裝位置進(jìn)行正確安裝。結(jié)合工程實(shí)際，在掘進(jìn)工作面附近的5 m處安裝RO瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎陲L(fēng)流較穩(wěn)定的回風(fēng)巷處安裝R1瓦斯?jié)舛葌鞲衅?。由于污流區(qū)的風(fēng)壓較大，將R2壓力傳感器安裝于污流區(qū)的出口尾端[5]。其傳感器具體安裝如圖5所示。

圖4 KG9701型低濃度沼氣傳感器實(shí)物圖

表2 KG9701型低濃度沼氣傳感器主要性能參數(shù)

圖5 傳感器安裝位置示意圖

3 通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要控制程序設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制程序主要包括主控程序、模擬量檢查程序、瓦斯?jié)舛炔捎贸绦虻冉M成，通過(guò)這些程序，可實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)工作過(guò)程通過(guò)性能控制。

3.1 主控程序1設(shè)計(jì)

主控程序1作為通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)重要程序，可實(shí)現(xiàn)程序的判斷、模擬量檢查程序2調(diào)用及瓦斯?jié)舛炔杉绦?調(diào)用的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)、報(bào)警和風(fēng)機(jī)通風(fēng)量調(diào)節(jié)，其程序的流程如圖6所示。

圖6 主控程序1設(shè)計(jì)流程圖

3.2 模擬量檢查程序2設(shè)計(jì)

模擬量檢查程序2主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各輸入信號(hào)的檢查，通過(guò)設(shè)置的判斷程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)EM255元件連接情況及通電情況的判斷，其程序的設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

3.3 瓦斯?jié)舛炔杉绦?設(shè)計(jì)

瓦斯?jié)舛炔杉绦?是實(shí)現(xiàn)對(duì)井下瓦斯?jié)舛炔杉瘷z測(cè)的重要程序，通過(guò)該程序，可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下掘進(jìn)面瓦斯?jié)舛鹊牟杉?duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行平均值計(jì)算，使企業(yè)更好地掌握井下的瓦斯?jié)舛戎?。其程序的設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較好地風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制效果，能實(shí)現(xiàn)對(duì)井下瓦斯?jié)舛鹊臋z查、計(jì)算、報(bào)警及控制等功能，其在通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用，大大增強(qiáng)了礦用通風(fēng)機(jī)通風(fēng)量的智能化監(jiān)測(cè)精度，提高了通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)效果和井下作業(yè)安全，可為企業(yè)節(jié)約電費(fèi)支出。

圖7 模擬量檢查程序2設(shè)計(jì)流程圖

圖8 瓦斯?jié)舛炔杉绦?設(shè)計(jì)流程圖

[2] 李文濤.礦井主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[D].青島：青島科技大學(xué)，2013.

[3] 張帥，夏承莉，張寬琦，等.基于PLC控制的礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].煤礦機(jī)械，2012，33（7）：210-211.

[4] 閔磊.基于PLC和組態(tài)軟件的局部通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2012.

[5] 馬群.基于PLC和變頻器的對(duì)旋風(fēng)機(jī)防喘振系統(tǒng)研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2012.