煤礦主通風機通風控制系統的改造

趙曉晨

（唐山開灤趙各莊礦業有限公司機電科，河北 唐山 063101）

通風機在煤礦生產中承擔著礦井通風的任務，是保障礦井安全的唯一通風設備，但是其對電能的需求非常大。據統計風機水泵類負載的耗電量占到了工業耗電量的1/2，但是其效率僅為40%-50%。運行時間長，耗電量低，具有很大的節能潛力。傳統風機采用鼠籠式異步電機拖動，采用調節擋風板控制其風量的大小。這種控制方式雖然簡單，但是經濟性不佳。隨著控制技術的發展，其運行可靠性不斷增加，變頻調速已成為工業生產中非常重要的調速手段，在節約能源和提高經濟效益方面具有顯著的作用。本文利用PLC和變頻器對原有煤礦用通風機的控制系統進行了改造，對提高通風機系統的自動化水平，防止煤礦安全事故的發生具有重要的理論和實際意義。

1 主通風機變頻調速系統

通風機變頻調速系統利用觸摸屏、PLC、變頻器、主通風機以及傳感器組成閉環控制系統。在變頻調速系統中通風機的出風口處安裝了壓力傳感器，根據檢測到的傳感器信號來判斷通風情況，并且由PLC實現風機轉速的調節，保證煤礦安全生產。其調控過程如圖1所示。

通風系統可以采取操作臺控制、上位機控制和就地控制三種不同的控制方式。啟動時首先啟動蝶閥和其輔助設備，當蝶閥開啟到位且其輔助設備啟動后啟動變頻器。風速的大小通過變頻器來調節，無需蝶閥控制。

三種控制方式中操作臺控制和就地控制主要用于系統的調試階段，通風機正常運行時采用的是上位機控制方式。上位機控制方式有手動和自動兩種不同的模式，變頻器也可以分為單動和聯動。煤礦正常運行時選擇自動模式，這時只要點擊啟動按鈕，整個通風機系統就會自動有序的運行，并且根據風量的大小，按照變頻器給定的頻率自動調節，使系統工作在最優狀態。

2 控制系統的功能

未改造的煤礦用通風機系統中主通風機常采用旋式軸流通風機恒速運行，其運行過程中主通風機設計裕量大，通過人工調節擋板來控制風量，造成了電能的嚴重浪費。當設備出現故障時，會出現風流短路，嚴重影響礦井的安全。另外主通風機在啟動過程中采取直接啟動的方式，啟動時間長、啟動電流大，對電動機的絕緣性有很大影響，嚴重時甚至會燒毀電動機。

煤礦主通風機系統改造過程中中用PLC來控制變頻器，采用變頻調速的方式實現風機風壓和風量的調節，這樣不僅能夠達到節電的效果，還能夠提高整個通風系統的自動化程度。為了保證煤礦生產的安全性，主通風機控制系統要實現以下功能：

（1）能夠實現手動、上位機和就地三種不同的控制模式；

（2）驅動主扇的電機要能夠保證通風機的軟啟動，并且使其處于變頻模式。當變頻器出現故障時，要能夠通過手動或者自動切換到工頻模式。

（3）當煤礦內發生火災等突變情況時，PLC能夠迅速向變頻器發送質量，驅動主通風機主扇電機反轉，使風流反向流動。

（4）能夠實現對風機運行參數和拖動電動機電氣參數的檢測，并且實現對通風機及其輔助設備的遠程控制。

3 PLC控制系統的硬件和軟件設計

目前市場上PLC的種類非常多，但其核心結構基本相同，都是由中央處理單元、存儲器、輸入和輸出單元、I/O、外部設備和電源等幾部分組成。

（1）硬件設計

這次設計中PLC選擇了經濟適用的S7-300系統，通過PLC的控制實現通風機系統中的高低壓供電、風門位置以及通風機運行狀態的監控。S7-300PLC通過控制低壓變頻器來實現風機系統的變頻運行，PLC和變頻器通過RS-485串行總線以MODBUS-RTU協議方式進行通信，實現對通風機電機運行數據和運行狀態的采集，實現對變頻器的實時控制。

在進行通風系統PLC改造時，首先要根據其控制系統的要求，配置相應的硬件，根據系統對I/O點數和信號性質的需求，最終確定其硬件型號。在S7-300PLC系統中，其模塊總數超過了8塊，所以除了中央機架外還需要配置相應的擴展機架和接口模塊M。

圖1 PLC控制的變頻器示意圖

在該PLC系統中配置了3塊32點數字量輸入模塊、3塊16點的數字輸出模塊、1塊8路模擬量輸入模塊和1塊4路模擬量輸出模塊。煤礦通風系統對控制系統的要求是72點數字輸入量、41點數字輸出量、4路模擬輸入量和4路模擬輸出量，故S7-300PLC完全能夠滿足使用要求。

（2）軟件設計

通風機控制系統的PLC控制程序采用STEP7軟件來編寫。程序的任務是保證風機系統的正常運行，采用變頻器控制電機進行切換以及輔助設備按照順序進行啟停和切換。當變頻器產生故障時，切換柜切換到備用狀態，但是通風機只有在切換柜的床用狀態下才能進行自動切換。程序的編寫過程中采用了模塊化的設計，每個模塊獨自完成其特定的任務，用組織塊主程序調用邏輯塊程序的方式實現對整個系統的控制。邏輯塊程序包括了高壓柜控制程序、低壓柜控制程序、1級風速運行程序、變頻器控制程序以及變壓器柜控制程序等。

結論

變頻調速技術可以使通風機隨著礦井對需風量的多少而變化，使通風機運行在最佳工況，變頻調速系統一般采用PLC控制。通過PLC實現對煤礦主通風控制系統的改造，大大降低了電機的電壓和電流，電機的輸入功率明顯減少，提高了風機的傳動效率，具有操作方便，控制精度高，系統工作平穩等一系列優點。這次改造中采用了西門子S7-300PLC，以STEP7軟件對煤礦主通風機控制系統進行了改造。

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