關(guān)于礦用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

張紅宇

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左權(quán)鑫順煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 032699）

引言

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，通常井內(nèi)部空氣不流通，包含有很多有毒有害氣體。這些有害氣體如果不對(duì)其進(jìn)行干預(yù)，就會(huì)對(duì)井下工作人員身體健康造成嚴(yán)重?fù)p害，且有可能引發(fā)粉塵爆炸安全事故[1-2]。為了保障井下工作人員的安全，通常都會(huì)使用通風(fēng)機(jī)來抽換礦井內(nèi)的空氣，將井內(nèi)有毒有害和各種粉塵等抽出井外，并且將新鮮空氣輸送到工作區(qū)域[3-4]。為了確保絕對(duì)安全，礦用通風(fēng)系統(tǒng)都是24 h 不間斷工作。這就要求礦用通風(fēng)系統(tǒng)必須具備非常高的可靠性。因?yàn)橐坏┩L(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障無法正常運(yùn)行，就會(huì)對(duì)井下工作人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。當(dāng)前階段我國很多煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性還有待進(jìn)一步提升，控制系統(tǒng)也無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)要求。另一方面，通風(fēng)系統(tǒng)24 h 不間斷運(yùn)行，需要消耗大量電能[5-6]。如果采用定頻技術(shù)就會(huì)浪費(fèi)很多的電能，不利于煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。基于上述分析可以看出，將變頻技術(shù)應(yīng)用到礦用通風(fēng)系統(tǒng)中并設(shè)計(jì)可靠的控制系統(tǒng)，具有非常重要的實(shí)踐意義和理論意義。

1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

煤礦通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由多個(gè)部分構(gòu)成，分別為通風(fēng)機(jī)、控制和電氣設(shè)備等。每個(gè)位置都會(huì)設(shè)置兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)互為備用，正常工作狀態(tài)下只有一臺(tái)通風(fēng)機(jī)使用，另外一臺(tái)通風(fēng)機(jī)處于備用狀態(tài)。每臺(tái)通風(fēng)機(jī)都配備有單獨(dú)的電機(jī)、電源及其他輔助裝置。圖1 所示為煤礦使用的通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。通過傳感器測(cè)量得到通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，通過工控機(jī)和觸摸屏對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)控。變頻器是整個(gè)變頻系統(tǒng)的核心，通過變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，進(jìn)而控制通風(fēng)機(jī)的風(fēng)速。通過高壓柜對(duì)變頻器進(jìn)行直接供電，提供的電壓為6 kV，其他機(jī)電設(shè)備都通過抵押開關(guān)柜供電。

圖1 礦用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)控制模式

本文設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)可以通過三種方式對(duì)通風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制，分別為現(xiàn)場(chǎng)控制、上位機(jī)控制和操作臺(tái)控制。通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速大小通過變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不再需要通過傳統(tǒng)的蝶閥控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，極大降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，且節(jié)能效果顯著。不管是何種控制方式，都能對(duì)所有的通風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下由上位機(jī)完成電機(jī)控制工作。操作臺(tái)控制主要應(yīng)用在系統(tǒng)調(diào)試和試驗(yàn)階段，緊急情況下也可通過操作臺(tái)控制電機(jī)的啟停。

1.3 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)部分

通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息是通過采集模塊進(jìn)行收集的。需要收集的信息數(shù)據(jù)包括設(shè)備正常運(yùn)行數(shù)據(jù)、通風(fēng)機(jī)的工藝數(shù)據(jù)以及變頻器狀態(tài)數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)信息通過傳輸系統(tǒng)輸送到PLC 中利用提前設(shè)定的程序進(jìn)行處理。并通過上位機(jī)對(duì)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，上位機(jī)中利用顯示屏可以進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，本系統(tǒng)采用觸摸屏，操作人員可直接通過屏幕操作系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)測(cè)得到的通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，通過信號(hào)傳輸系統(tǒng)輸送到煤礦調(diào)度室。工作人員可以隨時(shí)掌握煤礦井下通風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，并基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)完成統(tǒng)一調(diào)配工作。

2 礦用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中涉及到的硬件主要包括PLC 控制器、變頻器、操作臺(tái)等，下面分別對(duì)這些硬件進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.1 PLC 選型及其工作原理

PLC 是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。為保證煤礦井下安全，本文選用性能相對(duì)較高的S7-400H 型號(hào)可編程邏輯控制器。該型號(hào)PLC 采用冗余CPU 設(shè)計(jì)，有較高的可靠性。當(dāng)主CPU 在運(yùn)行過程中突然遇到故障問題，系統(tǒng)會(huì)將其數(shù)據(jù)信息拷貝到備用CPU 中，由備用CPU 繼續(xù)保持工作。使用冗余CPU 控制的目的在于避免由于CPU 突發(fā)故障導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)癱瘓無法工作，對(duì)煤礦造成不可挽回的損失。

2.2 變頻器選型

變頻器是調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工作原理是通過調(diào)節(jié)頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速大小以及風(fēng)量大小?？蛇M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，而遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)又包括操作臺(tái)調(diào)節(jié)和上位機(jī)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)主要是通過上位機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP 協(xié)議對(duì)變頻器的頻率進(jìn)行控制。為滿足通訊要求，變頻器應(yīng)該配備有DP 通信端口。本系統(tǒng)利用西門子公司生產(chǎn)的無諧波變頻器，該變頻器在實(shí)際應(yīng)用中具備很多優(yōu)勢(shì)，比如，能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接連接、可靠性高、自整定電機(jī)參數(shù)等。變頻器在工作中通常會(huì)產(chǎn)生有害諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而本文選用的無諧波變頻器正好能完美消除上述兩項(xiàng)缺陷，使整個(gè)調(diào)節(jié)過程變得更加穩(wěn)定。本變頻器中，當(dāng)給定的頻率小于10 Hz 時(shí)，變頻器啟動(dòng)并以10 Hz 進(jìn)行工作，當(dāng)給定頻率超過10 Hz 時(shí)則變頻器以給定的實(shí)際頻率進(jìn)行工作。

2.3 操作臺(tái)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中利用兩臺(tái)低壓開關(guān)柜對(duì)操作臺(tái)進(jìn)行不間斷供電，兩臺(tái)開關(guān)柜只要有一臺(tái)能夠正常工作就不會(huì)出現(xiàn)斷電情況。通過操作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制通風(fēng)機(jī)設(shè)備電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與停止，這樣即便上位機(jī)自動(dòng)控制出現(xiàn)故障，也能夠通過操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 礦用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)

礦用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)必須要配備相應(yīng)的軟件系統(tǒng)才能夠正常工作，軟件系統(tǒng)主要包含兩部分內(nèi)容，分別為控制部分和監(jiān)測(cè)部分，以下分別對(duì)這兩部分內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 控制部分的設(shè)計(jì)

控制部分的作用主要是對(duì)通風(fēng)機(jī)及其相關(guān)輔助設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。軟件設(shè)計(jì)是基于硬件系統(tǒng)通過模塊化編程方式編寫控制程序，結(jié)合實(shí)際需要編寫程序，并將不同程序嵌入到對(duì)應(yīng)的邏輯模塊中，每個(gè)控制任務(wù)或設(shè)備都通過與之對(duì)應(yīng)的邏輯模塊進(jìn)行控制。如圖2 所示為礦用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)整體控制流程圖。

圖2 礦用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)整體控制流程圖

合理設(shè)計(jì)控制程序是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)和前提，本研究通過STEP7 軟件編寫相關(guān)程序。切換柜可以在常用和備用兩種狀態(tài)下進(jìn)行切換，正常情況下均在常用狀態(tài)下工作。一旦主通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障無法正常工作，系統(tǒng)就需要啟用備用狀態(tài)。整個(gè)切換過程涉及到很多流程，都需要通過控制程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

如圖3 所示為通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)風(fēng)速控制流程圖?？梢栽谙到y(tǒng)中設(shè)定理想的井內(nèi)通風(fēng)狀態(tài)，并利用專業(yè)的傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)井內(nèi)實(shí)際的通風(fēng)狀態(tài)。將傳感器檢測(cè)的實(shí)際結(jié)果與系統(tǒng)中人為設(shè)定的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如果兩者之間存在差值，系統(tǒng)就通過PID 控制進(jìn)而驅(qū)動(dòng)變頻器調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)風(fēng)速，直到煤礦井下的實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)相同，通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)就保持穩(wěn)定。

3.2 檢測(cè)部分的設(shè)計(jì)

圖3 風(fēng)速控制流程圖

圖4 礦用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)測(cè)部分的工作原理示意圖

如下頁圖4 所示為礦用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)測(cè)部分工作原理示意圖。設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)部分構(gòu)成，主要包括PLC 控制器、上位機(jī)、傳感器、通訊系統(tǒng)等，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用就是對(duì)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可將傳感器收集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示屏中實(shí)時(shí)顯示，操作人員可通過各數(shù)據(jù)的變化曲線了解通風(fēng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可見本系統(tǒng)非常直觀，易于操作。由于采用了功能可靠的PLC 控制技術(shù)，所以本系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾性能好的特點(diǎn)。

利用傳感器可以監(jiān)測(cè)獲得通風(fēng)機(jī)出口位置的風(fēng)速、風(fēng)壓等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)比如電壓值、電流值、功率值、溫度等。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以將傳感器收集到的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到服務(wù)器中，能對(duì)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查詢。一旦系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)信息存在異常，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒工作人員。不管是在何種模式的控制方式下，都必須基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量得到的真實(shí)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行控制，因此要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的可靠性。

4 結(jié)論

礦用通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是保障煤礦井下安全的重要機(jī)械設(shè)備之一，要求24 h 不間斷運(yùn)行。因此對(duì)其控制可靠性以及節(jié)能方面提出了較高的要求。本研究設(shè)計(jì)了一套礦用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，主要通過性能強(qiáng)大的S7-400H 型號(hào)可編程邏輯控制器進(jìn)行控制，因采取的是冗余CPU 設(shè)計(jì)，因此具有較高的可靠性。另外，通過變頻技術(shù)的使用，能夠?yàn)榈V井節(jié)省大量的電力能源。