基于PLC實現(xiàn)對礦井風機機組的變頻控制

王巧玲

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

通風機作為通風系統(tǒng)的關鍵設備，目前工作面通風機的啟動方式為最直接啟動，且通風系統(tǒng)在實際實際過程中未能根據(jù)現(xiàn)場的瓦斯、粉塵等有害氣體濃度對風機的通風量進行實時控制。鑒于上述現(xiàn)狀，導致通風機的啟動電流較大，從而對電網(wǎng)及相關設備造成沖擊；通風機的恒頻運轉(zhuǎn)對電能造成浪費[1-2]。變頻控制技術是解決上述問題的關鍵。本文將PLC設計應用于對礦井風機機組的變頻控制，從而達到延長設備使用壽命及節(jié)能的目的。

1 變頻控制系統(tǒng)的設計原則

1）經(jīng)驗表明，綜采工作面通風機機組每年的耗電量占據(jù)煤礦總耗電量的15%～20%。因此，在實現(xiàn)通風機基本作業(yè)任務的同時，最大限度地實現(xiàn)其節(jié)能效果；

2）要求變頻控制系統(tǒng)內(nèi)的高低壓配電分系統(tǒng)、變頻拖動分系統(tǒng)、通風控制分系統(tǒng)等有機結合，相互配合；

3）變頻控制系統(tǒng)能夠?qū)νL機及其附屬設備進行集中控制；能夠?qū)崿F(xiàn)對通風機常用與備用之間的切換、實現(xiàn)對通風機的反風操作，能夠?qū)νL機及其附屬設備的實時工作狀態(tài)進行監(jiān)測、記錄、顯示并出現(xiàn)故障時發(fā)出報警[3]。

2 變頻控制系統(tǒng)的總體結構設計

為進一步提升變頻控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，本控制系統(tǒng)采用冗余設計的原則。在綜合考慮上述設計原則的基礎上，設計如圖1所示的變頻控制系統(tǒng)。

如圖1所示，變頻控制系統(tǒng)主要包括有高低壓配電、控制、傳動以及在線監(jiān)測等功能，且每個分系統(tǒng)均采用的冗余設計，即當任何一分系統(tǒng)由于出現(xiàn)故障或者處于檢修時通風機仍可繼續(xù)工作。

圖1 變頻控制系統(tǒng)總體結構

3 各分系統(tǒng)的設計

3.1 高低壓配電分系統(tǒng)的設計

變頻控制系統(tǒng)高壓配電分系統(tǒng)采用6 kV雙回路電源進線，單母線分段接線方式；低壓配電分系統(tǒng)采用雙回路電源進行方式，且系統(tǒng)的關鍵部分對其采用不間斷UPS供電，預防市電供電發(fā)生故障時，系統(tǒng)停機現(xiàn)象[4]。

基于冗余設計，變頻控制由傳統(tǒng)的“一拖一”控制模式改進為當前的“一拖二”控制模式，提升了系統(tǒng)的可靠性。即，綜采工作面的兩臺變頻器可實現(xiàn)對電機的四種拖動方式，與其對應的切換柜系統(tǒng)如下頁圖2所示。

3.2 傳動分系統(tǒng)的設計

變頻器為實現(xiàn)通風機機組變頻控制的核心，其主要功能是通過改變頻率實現(xiàn)對通風機電機轉(zhuǎn)速的控制，從而達到對通風機風量調(diào)節(jié)的目的。變頻調(diào)速原理如公式（1）所示：

式中：n為提升機電機的轉(zhuǎn)速；f為電機頻率；s為轉(zhuǎn)差率；p為提升機電機的極數(shù)。根據(jù)控制需求，要求變頻器能夠與PLC和PROFIBUS進行通信，故變頻器具有DP通訊接口。經(jīng)調(diào)研所選擇變頻系統(tǒng)為無諧波變頻系統(tǒng)，該變頻電機的關鍵參數(shù)如表1所示。

圖2 切換柜系統(tǒng)圖

表1 變頻電動機主要技術參數(shù)一覽表

3.3 控制分系統(tǒng)的設計

3.3.1 PLC的選型

根據(jù)通風機機組的實際控制需求及應用場合，選用的PLC控制需具有高可靠性、高冗余性和可擴展等功能。針對綜采工作面生產(chǎn)過程中為確保綜采工作面的瓦斯?jié)舛取⒚簤m濃度等符合相關標準要求，必須要求通風機時刻運行[5]。鑒于此，對PLC控制系統(tǒng)的冗余特性要求更高。PLC較好的冗余特性可以時刻保證通風機的正常運行。

根據(jù)系統(tǒng)的控制需求，結合經(jīng)濟性的原則選用PLC的型號為S7-400H系統(tǒng)，且該PLC系統(tǒng)的CPU型號為412-3H；冗余系統(tǒng)的型號為AS412-3-2H。

3.3.2 PLC硬件的設計

目前，寺家莊礦共有2套通風機機組，故需對應設計2套PLC控制系統(tǒng)及PLC控制柜。根據(jù)控制需求，將冗余系統(tǒng)安裝于1號PLC控制系統(tǒng)中，同時1號PLC控制柜由UPS供電，其余兩個控制柜由220 V電源供電。本文著重對1號PLC控制柜的硬件進行選型設計。

根據(jù)1號控制柜所控制通風機的及其輔助設備的生產(chǎn)需求，1號控制柜中PLC的相關模塊及數(shù)量統(tǒng)計如表2所示。

1號PLC控制柜的硬件配置如圖3所示。

3.3.3 PLC軟件的設計

結合通風機機組變頻控制的實際控制需求，旨在確保通風機機組可在實現(xiàn)其正常通風功能的基礎上，達到節(jié)能、延長設備使用壽命的功能，其PLC采用的程序采用模塊化設計的原則。基于PLC控制程序?qū)ψ冾l器進行控制并切換，從而達到對通風機機組的控制。故，PLC控制程序主要包括有組織塊、功能塊、數(shù)據(jù)塊等內(nèi)容?；谏鲜鲈瓌t，設計如圖4所示的PLC控制流程圖。

表2 1號PLC控制柜模塊及數(shù)量統(tǒng)計

圖3 1號PLC控制柜硬件配置圖

4 變頻控制節(jié)能效果分析

通風機在實際生產(chǎn)中每天的耗能計算公式如（2）所示：

圖4 PLC控制流程圖

式中：W為耗電量；U為壓風機電機的運行電壓，取6 kV；I為壓風機的運行電流，其中在正常運行時I1=30 A，在空載運行時I2=18 A；cosφ為壓風機空載運行時的功率因數(shù)，取0.8；t為壓風機對應工況的運行時長。

改造前，壓風機每天均處于正常運行狀態(tài)，t=24h。則改造前壓風機耗電量為

改造后，壓風機正常工況運行時間為18 h，空載工況運行時間為6 h。則改造后壓風機耗電量為：W2=

則每天可節(jié)約電能為W3=W1-W2=598.58kW·h，每年可節(jié)約電量為W4=360W3=215 488.512 kW·h。

設工業(yè)用電每度為0.6元，則經(jīng)節(jié)能設計后每天壓風機每年節(jié)約電費為：215488.512×0.6=129293元。