礦井通風控制系統(tǒng)設計改造

王占銀 胡海東

摘要：

針對礦井舊通風控制系統(tǒng)中存在的體積龐大、接線復雜、機械觸點多、排除故障困難、可靠性差、自動化程度低等缺陷，設計了一種基于先進PLC控制技術的礦井通風安全控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)投入使用，運行結果表明，系統(tǒng)具有功能完善，運行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯等特點，提高了企業(yè)的生產效率和經(jīng)濟效益，具有很好的應用前景。

關鍵詞： 控制 變頻 PLC

1.前言

煤礦礦井通風系統(tǒng)是煤礦礦井安全生產的重要組成部分，煤礦礦井通風系統(tǒng)能否正常工作與礦井內工作環(huán)境條件、生產效率、安全生產密切相關。隨著我國政府對各行各業(yè)安全生產監(jiān)管力度的不斷加強，尤其對煤礦安全生產的要求越來越高，對煤礦礦井通風系統(tǒng)進行技術改造，提高其運行穩(wěn)定性、節(jié)能降耗等勢在必行。本系統(tǒng)將PLC與變頻器有機地結合起來，采用以礦井氣壓壓力為主控參數(shù)，實現(xiàn)對電動機工作過程和運轉速度的有效控制，使礦井通風機通風高效、安全，達到了明顯的節(jié)能效果。

2. 系統(tǒng)的設計功能

本控制系統(tǒng)具有通風機組的啟動、互鎖和過熱保護等功能。與常規(guī)繼電器實施的通風系統(tǒng)相比，PLC系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護方便等諸多優(yōu)點，PLC的控制功能使通風系統(tǒng)的自動化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動強度。為滿足礦井通風系統(tǒng)自動控制的要求，系統(tǒng)的具體設計要求如下：

2.1.本系統(tǒng)提供手動/自動兩種工作模式，具有狀態(tài)顯示以及故障報警等功能。

2.2.模擬量壓力輸入經(jīng)PID運算，輸出模擬量控制變頻器。

2.3.在自動方式下，當井下壓力低于設定壓力下限時，兩組風機將同時投入工作運行，同時并發(fā)出指示和報警信號。

2.4.模擬量瓦斯輸入，當?shù)V井瓦斯?jié)舛却笥谠O定報警上限時，發(fā)出指示和報警。當瓦斯?jié)舛却笥谠O定斷電上限時，PLC將切斷工作面和風機組電源，防止瓦斯爆炸。

2.5.運用溫度傳感器測定風機組定子溫度或軸承溫度，當定子溫度或軸承溫度超過設定報警上線時，發(fā)出指示和報警信號。當定子溫度或軸承溫度超過設定風機組轉換溫度界線時，PLC將切斷指示和報警信號并自動切斷當前運行風機組，在自動方式下并能自動接入另一臺風機組運行，若在手動方式下，工作人員手動切換。

3.系統(tǒng)硬件構成及各部分功能

本控制系統(tǒng)有可編程控制器（PLC）、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、變頻器、傳感器部分、監(jiān)控對象和電控回路組成。

3.1.PLC可編程控制器部分可編程控制器部分

PLC概述概述PLC是以微處理器為核心的一種特殊的工業(yè)用計算機，其結構與一般的計算機相類似，由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、輸入接口、輸出接口、I/O擴展接口、外部設備接口以及電源等組成。CPU單元由微處理器、系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器以及工作數(shù)據(jù)存儲器等組成，它是PLC的核心部件，是由大規(guī)模或超大規(guī)模的集成電路微處理芯片構成，主要完成運算和控制任務，可以接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。存儲器單元按照物理性能分為兩類，隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。輸入輸出單元由輸入模塊、輸出模塊和功能模塊構成，是PLC與現(xiàn)場輸入輸出設備或其他外部設備之間的連接部件。PLC通過輸入模塊把工業(yè)設備或生產過程的狀態(tài)或信息讀入中央處理單元，通過用戶程序的運算與操作，把結果通過輸出模塊輸出給執(zhí)行單元。輸出模塊用于把用戶程序的邏輯運算結果輸出到PLC外部，輸出模塊具有隔離PLC內部電路和外部執(zhí)行單元的作用，還具有功率放大的作用。

3.2.變頻器部分

本系統(tǒng)選用的是西門子全新一代標準變頻器MicroMaster440功能強大，應用廣泛。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合。變頻器的選用：變頻器的選用應滿足以下規(guī)則，變頻器的容量應大于負載所需的輸出；變頻器的容量不低于電機的容量；變頻器的電流大于電機的電流。由于本設計以風機組2×30kW為例，因此可選用37kW，額定電流75A的變頻器。考慮到改進設計方案的可行性，調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性及性價比，我們采用西門子MM440、37kw，額定電流為75A的通用變頻器。該變頻器采用高性能矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強的過載能力，可以控制電機從靜止到平滑起動期間提供3S，有200%的過載能力。變頻器參數(shù)的設置：負載為一大慣性負載，在停車時，為防止因慣性而產生的回饋制動使泵升電壓過高的現(xiàn)象，加入制動電阻，斜坡下降時間設定長一些。外接制動電阻的阻值和功率可按公式R≥2Ud/1P≥（0.3—0.5）選取。式中：U為變頻器直流側電壓，d為變頻器的額定電流。本次設計采用西門子與37kW電機配套的制動電阻響和對轉速調整的要求，系統(tǒng)用模擬量輸入作為附加給定，與固定頻率設定相疊加以滿足不同型號模具特殊要求。

4.軟件設計

本控制系統(tǒng)的軟件設計是分四部分實現(xiàn)的，主要包括手動自動控制部分、溫度轉換控制部分、瓦斯?jié)舛瓤刂撇糠趾蛪毫ID控制部分。本文中所采用的PLC是西門子公司的產品S7-200系列，CPU的型號是CPU226。主要包括手動/自動控制部分、溫度轉換控制部分、瓦斯?jié)舛瓤刂撇糠帧毫ID控制部分、PLC與變頻器通信和機械故障處理部分。其中手動和自動控制部分是在溫度、瓦斯和壓力控制中使用的。所以下面僅對溫度、瓦斯、壓力進行分析。溫度控制部分本設計的風機組設有軸承溫度和定子溫度過熱保護。綜合所選用的風機組自身特性和國家規(guī)定標準，設置了風機組軸承溫度和定子溫度報警溫度和跳閘溫度（本系統(tǒng)是風機組切換溫度）。瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲗⑦B續(xù)變化的瓦斯?jié)舛刃盘栟D換為4～20毫安的電流，然后經(jīng)A/D轉換模塊EM235，通過其內部的采樣、濾波，轉換為PLC能識別的二進制信號存儲到VD196中。

5.結束語：

西門子PLC控制變頻器在煤礦礦井通風系統(tǒng)中的應用，不僅簡化了系統(tǒng)，提高了設備的可靠性和穩(wěn)定性，設備的操作和維護方便，節(jié)省能耗，同時也大大地提高了煤礦生產的安全系數(shù)。由于變頻器直接控制電機，通過調速來驅動風機工作，從而提高了風機的傳動效率。此系統(tǒng)操作方便，控制精度高，響應速度快，使整個系統(tǒng)工作平穩(wěn)。而且節(jié)電率在20%～70%之間，具有巨大的節(jié)效益。