變頻技術在煤礦通風機控制系統中的設計應用

李文斌

（山西陽泉煤業集團有限公司開元礦，山西 晉中 045400）

引言

煤礦生產中，安全是第一要務，而煤礦巷道通風系統則在很大程度上保障著煤礦生產安全。在巷道通風系統中，主通風機是關鍵設備，但由于功率較大且持續運轉，耗電量極大，據統計：主通風機耗電量約為煤礦耗電總量的15%～30%，因此對煤礦巷道通風系統加以改造也是現階段落實節能降耗理念的必然要求。當前，新的交流變頻調速通風機電控系統具有極為靈活的調解方式，且具有較高的可靠性，節能效果極為明顯，因而成為礦井通風機控制系統的首選設計方案。

1 應用變頻技術應考慮的問題

1）性能安全可靠。利用通風機電器數值選擇相應的曲線進行加速，以便于實現最佳的軟啟動效果。應充分考慮煤礦巷道所需風量以及風壓情況，調節風機葉片位置，并根據通風機曲線特征表現來確定合理的轉動速度以及工況點，從而確定變頻器使用速率。根據相關規定，煤礦生產企業每年都要組織井下反風演練，確保通風機在煤礦發生災害事故的狀況下可及時采取反風操作，從而確保煤礦井下具有足夠的反風量。應對變頻器內部銅條、基板分別采取鍍鎳處理和三防涂層處理，強化變頻器對于外部環境的適應性，從而在煤礦工作環境下更好地發揮功能，且不受外部因素影響。一般來說，變頻設備在電壓波動情況下依然能夠正常工作，且在電網電壓降低至一定程度時仍然可以繼續工作，因變頻設備適應性較強，一旦電網發生單相事故（高壓電網接地以及迅速閃絡等），變頻裝置依然可維持工作狀態，而非立刻停止運行，通風機也由此而處于運行工作狀態。

2）能源節約。煤礦通風機控制系統設備中，變頻控制系統具有較高的性價比。由于諧波高次成分的存在，電動機因異步電子流所受損害也隨之加大，電動機功率效率因素出現不同程度差異，因此選擇變頻器成為其中的關鍵。一般情況下以低諧波高次分量比產品為首選。在選擇電動機時應以低能量損耗以及高效率的產品為主。盡量保護鐵芯不受損害。變頻設備應選擇直供式設備，并且應與供電電壓一致，且不需中間變壓環節，有效控制電網污染問題，也有利于抑制高次諧波，從而使電壓表現出強大兼容性特征，同時又不會干擾其他設施，且具有高功率因數［1］。

2 變頻調速總體設計方案

總體設計方案如下：在系統構成中，從站通過FX2NPLC控制變頻器、除塵系統以及管道分流系統，而風機則在變頻器驅動下運轉。系統主站，即QPLC經由CC－Link現場總線控制從站，同時經CC－Link對變頻器、除塵系統以及管道分流系統展開榮譽控制，以免FX2NPLC從站發生故障而導致整個通風系統處于癱瘓狀態。該系統設計方案具有較強的可視化管理特點，通過中央監控中心即可在組態技術支持下遠程監控系統運轉狀況，見圖1。

圖1 風機控制系統總體構成示意

1）變頻器聯合FX2NPLC控制系統。在風機變頻調速總體設計方案中，系統關鍵部分即為變頻器＋FX2NPLC控制系統，風機受到FX2NPLC控制并在變頻器作用下實現變頻調速，進而達到節能目的。系統通過閉環控制方法對風機轉速進行控制和調整。風機出風口區域配置壓力傳感器以及風速傳感器，系統能夠分析風速傳感器以及壓力傳感器輸出信號，對巷道通風情況作出準確判斷。倘若風速與風壓難以滿足巷道通風要求，系統則會發布指令對風機轉速進行調整，從而確保巷道通風要求，保障煤礦安全生產順利進行，見圖2。

圖2 風機變頻調速控制系統

煤礦通風機系統并未對風速作出過于嚴格的要求，因此風速合格范圍數值較為寬泛，頻繁調節風速并無必要。在本系統中，應通過三段速模式來調整、控制風機速度，如果巷道風速不符合煤礦安全生產需求，系統則通過PID算法對變頻器運行頻率加以自動、適當的調節，提高風速直至安全生產要求［2］。

2）管道分流。煤礦井作業過程中往往伴有大量有害氣體，直接釋放，排至大氣中則會導致嚴重污染問題。按照設想，對于超標有害氣體應通過敷設管道等方法對風機所排廢氣導送至特制管道，并采取燃燒處理。但就本次設計而言，我們僅選擇以管道分流的方式處理風機排出氣體，對于燃燒系統設計不作深入討論。

3）除塵裝置。煤礦生產具有較大特殊性，其中通風機中排出大量粉塵與氣體混合，倘若不及時處理粉塵問題，則會造成嚴重的大氣污染問題。所以在設計該系統時應著重于除塵環節，通過有害氣體檢測實驗對風機排出氣體進行評估和檢驗，對于尚未超標的有害氣體可引入除塵裝置。除塵裝置設計如下圖3：以濕式振弦除塵器為主，取顆粒傳感器設置裝置入口區域，檢測氣體中混雜的粉塵含量，并計算除塵裝置噴水量，對噴水量予以靈活調節，以有效除塵，見圖3。

圖3 除塵裝置設計圖

4）從站人機交流。本系統中FX2NPLC從站配置均有觸摸屏，為人機交流創造了便捷的溝通橋梁。操作者可利用人機界面啟動通風系統，或予以中止，并且能夠對變頻器電流、輸出電壓、巷道空氣狀況、輸出電壓以及電機轉速等數據予以實時監測［3］。

5）組態監控技術。所謂組態監控，即利用組態軟件操作QPLC主站內部資源，對現場風機運行狀況進行遠程實時監控，同時還可實現變頻器參數的遠程更改與設置。除此之外，為系統模型提供一種模擬實際的信號給定是設計中組態的另一項重要功能。

6）主站QPLC。在整個控制系統中，主站QPLC是核心所在，整體功能包括如下兩點：第一，從站FX2NPLC冗余。一旦從站控制系統中FX2NPLC受到意外因素干擾影響而停止工作，那么主站QOLC可利用CC－Link現場總線遠程控制通風機系統，以免煤礦井下通風中斷。第二，采集信息。在CC－Link的支持下，主站QPLC能夠實時讀取變頻器頻率、輸出電壓以及電流等指標參數，并顯示在組態界面上。所得數據也可經由CCLink發送至從站FX2NPLC，操作者通過觸摸屏可接收到顯示的數據信息。

7）報警電路。本系統中報警方式分為兩種：1）報警指示燈會在變頻器工作狀態異常的情況下處于持續點亮狀態，并發出報警聲音，而通風機在此種情況下已停止運轉，巷道處于危險狀態。2）報警電路會在從站不工作的狀態下發出聲光報警，QPLC主站控制報警電路，而報警信號則以聲光閃爍報警為主［4］。

3 結語

在當前國內煤礦通風機控制系統中，變頻技術的應用尚不夠深入，而在行業生產技術發展的推動下，變頻技術在環保節能、自動化生產領域發揮著極為重要的作用。在科學技術的快速發展下，變頻技術在煤礦通風機控制系統中將會得到更為廣泛的應用。

［1］ 王新，翟景昌.基于自適應PSD預估算法的通風機風量控制［J］.計算機仿真，2014，31（6）：410－413.

［2］ 張永建，劉少荷，王維，等.基于 MCGS的礦用主通風機在線監測與控制系統［J］.機械設計與制造，2009（10）：129－131.

［3］ 吳燕翔，李權任，成萍，等.基于PLC的礦井通風機變頻控制系統的設計［J］.科學技術與工程，2009，9（16）：471－475.

［4］ 張軍，邱呂強，楊燦湘，等.基于PLC控制的局部通風機變頻調速系統結構分析［J］.河南科技，2014（11）：154.