礦用通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

劉 婕

（山西省能源職業(yè)學(xué)校/山西省能源職工教育中心，山西 太原 030012）

引言

影響煤礦井下開采作業(yè)安全性的主要因素之一是在采掘過程中所產(chǎn)生的大量易燃易爆粉塵及CH4、CO 等毒性氣體，通風(fēng)機(jī)作為煤礦主要通風(fēng)設(shè)備，主要負(fù)責(zé)井下有害氣體及粉塵的排出和新鮮空氣的注入，通常需要保持全天不間斷運(yùn)行，以保證井下空氣穩(wěn)定流通，因此通風(fēng)機(jī)也成為了煤礦主要的耗能設(shè)備。目前多數(shù)煤礦的通風(fēng)機(jī)在直接啟動(dòng)后會(huì)保持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，然后通過風(fēng)門對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，該方式不僅造成了大量的電能損耗，經(jīng)濟(jì)性較差，同時(shí)控制精度也十分受限，無(wú)法滿足煤礦的實(shí)際通風(fēng)需求[1-4]。

通過上述分析可以看出，如何減小通風(fēng)機(jī)電機(jī)的啟動(dòng)電流并使其輸出風(fēng)量根據(jù)實(shí)際需求自動(dòng)改變，是實(shí)現(xiàn)煤礦通風(fēng)機(jī)智能化節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵。針對(duì)上述問題，本文采用變頻控制技術(shù)以“一拖一”的方式對(duì)通風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行軟啟動(dòng)控制及自適應(yīng)風(fēng)量輸出調(diào)節(jié)，并對(duì)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓及電機(jī)電壓、電流、功率等主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互采用以太網(wǎng)+Profibus 復(fù)合通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，有效提高了煤礦通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行節(jié)能性及智能化程度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

1.1 變頻控制系統(tǒng)功能分析

本文所設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用煤礦配備了兩臺(tái)互為備用的通風(fēng)機(jī)，通常情況下由一臺(tái)通風(fēng)機(jī)對(duì)井下進(jìn)行24 h 不間斷送排風(fēng)，當(dāng)主通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)異?；蛲C(jī)檢修時(shí)由備用風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作。每臺(tái)通風(fēng)機(jī)配備一個(gè)潤(rùn)滑站、一臺(tái)電機(jī)加熱器和一臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)三個(gè)輔助設(shè)備，用于保證通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中具備良好的散熱、防冷防潮及潤(rùn)滑功能?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)原則首要保證通風(fēng)機(jī)的安全可靠控制，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。變頻控制系統(tǒng)具體功能如下：

1）通風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)及變頻節(jié)能控制。系統(tǒng)可通過變頻器軟啟動(dòng)方式有效減小風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電流。同時(shí)系統(tǒng)采用變頻驅(qū)動(dòng)的方式根據(jù)實(shí)際用風(fēng)需求對(duì)風(fēng)機(jī)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

2）手動(dòng)自動(dòng)控制模式無(wú)擾動(dòng)切換。系統(tǒng)可根據(jù)上位機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)機(jī)的啟停及調(diào)速進(jìn)行自動(dòng)程序控制，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，系統(tǒng)可無(wú)擾動(dòng)切換至手動(dòng)模式采用遠(yuǎn)程遙控及就地控制方式對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行手動(dòng)控制。

3）風(fēng)機(jī)輔助設(shè)備集中控制?？刂葡到y(tǒng)可對(duì)通風(fēng)機(jī)的潤(rùn)滑站、電機(jī)加熱器、冷卻風(fēng)機(jī)及風(fēng)門等裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制，保證通風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4）通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可通過上位機(jī)人機(jī)交互界面直觀顯示風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)風(fēng)量、風(fēng)壓及變頻器運(yùn)行參數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并具備數(shù)據(jù)管理、存儲(chǔ)等功能。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

按照通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)的功能需求，本文采用模塊化結(jié)構(gòu)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示?？刂葡到y(tǒng)共包含上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、PLC 主控模塊、變頻驅(qū)動(dòng)模塊、參數(shù)采集模塊及通信模塊等部分。其中上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)包括人機(jī)交互界面及操作臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程手動(dòng)自動(dòng)控制及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。PLC 主控模塊是本系統(tǒng)的控制核心，用于運(yùn)行參數(shù)的上傳及控制指令的下達(dá)。變頻驅(qū)動(dòng)模塊主要由多組變頻器構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)功率的變頻控制。參數(shù)采集模塊主要由各類傳感器組成，可對(duì)運(yùn)行中的通風(fēng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)及變頻器參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和上傳。系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要由工業(yè)以太網(wǎng)及Profibus 組成，其中上位機(jī)與主控模塊的通信通過以太網(wǎng)完成，主控模塊與變頻器的通信通過Profibus 完成。

圖1 通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件方案設(shè)計(jì)

通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計(jì)內(nèi)容主要為PLC 主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及變頻驅(qū)動(dòng)模塊三大部分的選型及設(shè)計(jì)。

2.1 PLC 主控模塊選型設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)的控制效果及經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)PLC主控器型號(hào)選用S7-300 PLC，主控的CPU 型號(hào)選為314C-2DP，其內(nèi)部集成了多組數(shù)字量、模擬量輸入輸出接口，可滿足系統(tǒng)各類信號(hào)的傳輸需求。同時(shí)控制器內(nèi)部自帶多個(gè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線及MPI/Profibus DP通信模塊，用于完成上位機(jī)與PLC 主控器、PLC 主控器至變頻器的通信，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠傳輸。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊選型設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要由各類傳感器組成，用于實(shí)時(shí)采集上傳通風(fēng)機(jī)、風(fēng)門、變頻器及輔助設(shè)備的主要運(yùn)行參數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集模塊中的風(fēng)量傳感器選用型號(hào)為KGF2，其可測(cè)風(fēng)速范圍為0.3～15 m/s，最大允許誤差可達(dá)±0.3 m/s。風(fēng)壓傳感器選用KGY3A 型礦用負(fù)壓傳感器，其風(fēng)量測(cè)量范圍為0～600 m3/s，基本誤差＜±0.3 m3/s。瓦斯傳感器選用GJG10J 型礦用激光甲烷傳感器，其測(cè)量范圍為（0～10）%CH4，基本測(cè)量誤差可穩(wěn)定維持在±0.06%，響應(yīng)時(shí)間＜15 s。溫度傳感器選用型號(hào)為KG3007A，其測(cè)溫范圍為0～100 ℃，基本誤差≤±2 ℃，具備故障自檢功能，便于維護(hù)。振動(dòng)傳感器選用型號(hào)為GBC20，其測(cè)量范圍為0～20 mm/s，輸出阻抗≤500 Ω，頻率響應(yīng)為10～1 000 Hz。以上傳感器均可輸出4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，且支持RS485 通信，可滿足本系統(tǒng)的參數(shù)采集及數(shù)據(jù)傳輸需求。

2.3 變頻驅(qū)動(dòng)模塊選型設(shè)計(jì)

變頻器作為本系統(tǒng)的主要執(zhí)行單元，其輸入輸出特性及功率因數(shù)等指標(biāo)的好壞直接決定了系統(tǒng)的控制效果，同時(shí)本系統(tǒng)變頻器與PLC 主控器的通信采用Profibus 協(xié)議，因此所選變頻器需具備DP 通信端口。結(jié)合上述要求，本文選用西門子6SR450 型無(wú)諧波變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。6SR450 具備良好的輸入特性，當(dāng)輸入容量不超過變壓器額定容量時(shí)，其電壓、電流諧波畸變度可滿足IEEE 標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)其功率因數(shù)較高，可避免由低功率因數(shù)所產(chǎn)生的諧波及諧振問題。6SR450 的輸出波形為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，無(wú)須額外設(shè)置濾波器，最大程度降低了有害諧波及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生，有效降低了電機(jī)損耗，提高了通風(fēng)機(jī)的使用壽命。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)主程序運(yùn)行時(shí)，首先完成系統(tǒng)初始化及自檢流程，確定系統(tǒng)無(wú)異常、參數(shù)設(shè)置正確后，可通過系統(tǒng)選擇控制模式，當(dāng)選用自動(dòng)控制模式時(shí)，由上位機(jī)程序自動(dòng)完成對(duì)主通風(fēng)機(jī)及相應(yīng)輔助設(shè)備和變頻器的啟動(dòng)，并進(jìn)入變頻調(diào)速控制模式，對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)主通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可自動(dòng)切換至備用通風(fēng)機(jī)保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，系統(tǒng)主程序流程如圖3 所示。

圖3 變頻控制系統(tǒng)主程序流程

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行性，本文對(duì)通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際聯(lián)機(jī)運(yùn)行測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)的通信、變頻控制、監(jiān)控畫面、故障報(bào)警及主輔風(fēng)機(jī)切換等功能進(jìn)行了驗(yàn)證。系統(tǒng)運(yùn)行后，通過上位機(jī)預(yù)設(shè)的變頻器參數(shù)成功實(shí)現(xiàn)了主風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng)及風(fēng)量自適應(yīng)變頻控制，上位機(jī)監(jiān)控畫面的各項(xiàng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)均顯示正常。在主風(fēng)機(jī)故障模擬場(chǎng)景下，系統(tǒng)可靠發(fā)出故障報(bào)警，并可通過按鈕進(jìn)行故障復(fù)位，當(dāng)故障無(wú)法復(fù)位時(shí)，系統(tǒng)可在自動(dòng)及手動(dòng)控制模式下實(shí)現(xiàn)備用風(fēng)機(jī)的切換，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)各項(xiàng)功能及指標(biāo)均符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)礦用通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)的不足，采用變頻器控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng)及輸出風(fēng)量自適應(yīng)調(diào)控，同時(shí)系統(tǒng)具備風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，采用工業(yè)以太網(wǎng)+Profibus 組合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互可靠性，有效提高了系統(tǒng)的控制效果及風(fēng)機(jī)運(yùn)行節(jié)能性。