通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張劍波

（陽(yáng)煤寺家莊有限責(zé)任公司防突隊(duì)， 山西 陽(yáng)泉 045300）

引言

綜采工作面采煤時(shí)，煤層中所含的有毒氣體（包括瓦斯、CO、H2S 等）會(huì)被釋放出來(lái)。其中，瓦斯是影響煤炭安全生產(chǎn)的重要威脅源，而CO、H2S 等氣體嚴(yán)重威脅著綜采工作面作業(yè)人員的人身健康。因此，為確保綜采工作面及作業(yè)人員的安全、健康，需確保工作面有毒氣體的含量滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。通風(fēng)機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其被稱為煤礦的呼吸系統(tǒng)，為工作面及人員提供新鮮空氣的同時(shí)降低工作面有毒氣體的含量。在實(shí)際生產(chǎn)中，通風(fēng)機(jī)控制精度低、自動(dòng)化程度低以及耗電量高等問(wèn)題，其工作性能尚不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，無(wú)法為作業(yè)人員及工作面提供安全的工作環(huán)境。因此，需對(duì)當(dāng)前通風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)的功能要求

為確保所設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，要求變頻調(diào)速控制系統(tǒng)滿足如下特性：

1）抗干擾性、可靠性。由于綜采工作面惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，該變頻調(diào)速控制系統(tǒng)采用PLC 控制方式。因此，需對(duì)PLC 控制器采取隔離、濾波等措施[2]。將系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由傳統(tǒng)的機(jī)械觸點(diǎn)繼電器更換為無(wú)觸點(diǎn)半導(dǎo)體電路，提高系統(tǒng)的可靠性。

2）系統(tǒng)具有一定的節(jié)能效果。為解決通風(fēng)機(jī)耗電量、啟停時(shí)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊的問(wèn)題，本系統(tǒng)采用變頻器拖動(dòng)電機(jī)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況及實(shí)時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小智能調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在減少通風(fēng)系統(tǒng)在啟停階段對(duì)系統(tǒng)造成沖擊的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能的效果。

3）自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能及容錯(cuò)性。為降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，該系統(tǒng)增設(shè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)工作面通風(fēng)機(jī)遇到故障時(shí)，為確保其工作面環(huán)境滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，要求系統(tǒng)具有容錯(cuò)性，可在其中一臺(tái)通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)“切換”按鈕啟動(dòng)另一臺(tái)通風(fēng)機(jī)，從而避免事故的發(fā)生[3]。

1.2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的核心控制器為PLC，系統(tǒng)主要分為監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)以及傳動(dòng)分系統(tǒng)。PLC 控制系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工作面監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)）；基于PLC 控制器對(duì)所得數(shù)據(jù)處理后將控制指令通過(guò)變頻器傳遞至相關(guān)電機(jī)（控制分系統(tǒng)）。此外，基于PLC 控制器將所采集到通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)顯示與工況機(jī)上，用戶可通過(guò)觸摸屏選擇傳動(dòng)其控制指令并查看相關(guān)參數(shù)（傳動(dòng)分系統(tǒng)）[4]。

2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的核心硬件包括有PLC 控制器和變頻器。本節(jié)著重對(duì)該系統(tǒng)的核心硬件和輔助設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 PLC 的選型及硬件設(shè)計(jì)

出于綜采工作面的安全性和系統(tǒng)可靠性綜合因素的考慮，本系統(tǒng)所采用PLC 控制器的類型為H 系統(tǒng)S7-400H 冗余PLC。冗余PLC 控制器由冗余CPU、電源模塊以及相關(guān)通信模塊組成。此外，還可根據(jù)控制需求加設(shè)接口模塊。

本系統(tǒng)所選用PLC 的型號(hào)為AS412-3-2H，該P(yáng)LC 控制器的CPU 型號(hào)為412-3H。根據(jù)控制需求，對(duì)PLC 控制器各個(gè)地址分配如下頁(yè)表1 所示。

2.2 變頻器的選型設(shè)計(jì)

1）變頻調(diào)速原理。所謂變頻調(diào)速指的是系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整電機(jī)的頻率達(dá)到對(duì)風(fēng)量的無(wú)級(jí)控制。其控制原理如式（1）所示：

表1 PLC 控制器地址分配及功能

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；f為三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率；s為三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；p為三相異步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。分析式（1）可知：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與其三相異步電機(jī)的運(yùn)行頻率成正比。我國(guó)電網(wǎng)頻率范圍0～50 Hz。因此，基于變頻調(diào)速可實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的平滑調(diào)速。

2）變頻器選型。變頻器作為該系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能直接決定著最終對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量及風(fēng)速的調(diào)節(jié)效果。綜合分析通風(fēng)機(jī)的工作特點(diǎn)及電壓功率因素、電壓波形等，且為實(shí)現(xiàn)較寬的調(diào)速范圍，本文所選型變頻器的型號(hào)為5HK62-5B[5]。該變頻器的操作界面如圖1 所示。

圖1 變頻器操作界面

為提升控制系統(tǒng)的可靠性，該型變頻器的控制電路主要由驅(qū)動(dòng)電路、風(fēng)量監(jiān)測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路以及相關(guān)保護(hù)電路組成。

3 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)的控制部分和監(jiān)測(cè)部分的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。為確保對(duì)軟件程序的維護(hù)功能，對(duì)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。在結(jié)合通風(fēng)機(jī)綜采工作面的運(yùn)行任務(wù)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)系統(tǒng)軟件的總體程序流程圖設(shè)定如圖2 所示。

為實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的節(jié)能運(yùn)行，本程序主要針對(duì)其在瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%時(shí)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。如圖2 所示，系統(tǒng)首先對(duì)工作面的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)限值1.5%時(shí)，工作面進(jìn)行瓦斯排放操作；當(dāng)瓦斯?jié)舛仍谝?guī)定范圍之內(nèi)時(shí)，通過(guò)控制變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)在工頻和變頻切換時(shí)的運(yùn)行，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻器是否存在故障。

鑒于綜采工作面存在粉塵，設(shè)定電機(jī)的最小頻率為25 Hz。經(jīng)實(shí)踐表明，根據(jù)工作面瓦斯?jié)舛鹊牟煌?，與其相對(duì)應(yīng)的變頻器電機(jī)的工作頻率如表2所示。

圖2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)程序流程圖

表2 不同瓦斯?jié)舛认码姍C(jī)頻率

4 結(jié)語(yǔ)

礦井通風(fēng)機(jī)為綜采工作面提供新鮮空氣的同時(shí)，將工作面的有毒氣體、粉塵等有害物質(zhì)排除，是確保綜采工作面安全生產(chǎn)及作業(yè)人員身心健康的關(guān)鍵設(shè)備。將變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用于通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，并選用可靠性高的PLC 控制器、變頻器等關(guān)鍵設(shè)備，為確保通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制的可靠性奠定基礎(chǔ)。