基于PLC的風機變頻調速控制系統設計

中國質量認證中心 曹文燕

0 引言

對于傳統風機控制方式，風機長期處于全功率下運行，為滿足煤炭安全設計規程對礦井通風的要求，一般采用調節導葉角方式控制風量及風壓，造成大量電能浪費。在煤炭生產過程中，對通風機的控制除電能存在浪費現象外，還存在一定的環境污染問題。一般煤礦采用抽出式通風方式，通風機將礦井巷道里的空氣抽出，排放到大氣中，其中必然包含大量的粉塵及甲烷、一氧化碳等大量可燃的有害氣體，造成空氣污染。鑒于以上問題，對煤礦通風系統的改造是很有必要的。并且目前煤礦礦井通風系統，大多仍采用繼電、接觸器控制系統，但這種控制系統存在著體積大、機械觸點多、接線復雜、可靠性低、排除故障困難等很多的缺陷；且因工作通風機一直高速運行，備用通風機停止，不能輪休工作，易使工作通風機產生故障，降低使用壽命。

針對上述這一系列問題，本系統將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，實現對電動機工作過程和運轉速度的有效控制，使礦井中的通風機通風高效、安全，達到了明顯的節能效果。PLC控制系統具有對驅動風機的電機過熱保護、故障報警、機械故障報警和瓦斯濃度斷電等功能特點，為煤礦礦井通風系統的節能技術改造提供一條新途徑。

1 系統設計功能

本控制系統具有通風機組的啟動、互鎖和過熱保護等功能。與常規繼電器實施的通風系統相比，PLC系統具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護方便等諸多優點，PLC的控制功能使通風系統的自動化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動強度。PLC和變頻器與空氣壓力傳感器配合使用，使系統控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風機運行的故障率大大降低，不僅節約了電能，而且還提高了設備的運轉率。為滿足礦井通風系統自動控制的要求，系統的具體設計要求如下：

（1）本系統提供手動/自動2種工作模式，具有狀態顯示以及故障報警等功能。

（2）模擬量壓力輸入經PID運算，輸出模擬量控制變頻器。

（3）在自動方式下，當井下壓力低于設定壓力下限時，2組風機將同時投入工作運行，同時并發出指示和報警信號。

（4）模擬量瓦斯輸入，當礦井瓦斯濃度大于設定報警上限時，發出指示和報警。當瓦斯濃度大于設定斷電上限時，PLC將切斷工作面和風機組電源，防止瓦斯爆炸。

（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[1]。

（6）為防止風機的疲勞運行，在任何狀態下，風機在累計運行設定時間后都會自動切換至另一臺風機組運行。

2 系統方案設計

2.1 系統整體設計

通風控制系統主要由2臺風機組成，每臺風機有2臺電機，每臺電機驅動一組扇片，2組扇片是對旋的，一組用于吸風，一組為增加風速，對井下進行供風。根據井下用風量的不同，采用不同型號的風機。本設計以風機2×45 kW為例，選用一臺S72200 PLC、空氣壓力傳感器和變頻器等組成一個完整的閉環控制系統。其中還包括接觸器、中間繼電器、熱繼電器、礦用防爆型磁力啟動器、斷路器等系統保護電器，實現對電機和PLC的有效保護，以及對電機的切換控制。本PLC控制系統具有對通風機的電動機啟動與運行，進行監控、聯鎖和過熱保護等功能。PLC與空氣壓力傳感器配合使用，使系統控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風機運行的故障率大大降低，提高了設備的運轉率[2]。其控制系統方案設計圖如圖1所示。

圖1 控制系統方案設計

為滿足煤礦礦井通風系統自動控制的要求，設計如下的控制方案：本系統提供手動/自動2種工作模式，具有現場控制方式、狀態顯示以及故障報警等功能。

在手動方式下，通風機通過開關進行控制，不受礦井內氣壓的影響。為防止通風機疲勞運行，在任何狀態下風機在累計運行設定時間后要切換至另一臺風機運行。A組通風機與B組通風機可由二位開關轉換。循環次數及定時時間可根據需要隨機設定。報警信號均為聲光形式，聲報警（電笛）可用按鈕解除，報警指示在故障排除后自動消失。

在自動方式下，利用遠傳空氣壓力傳感器檢測礦井內的氣壓信號，用變送器將現場信號變換成統一的標準信號（如4～20mA直流電流信號、0～5V直流電壓信號等），送入A/D模塊進行模數轉換，然后送入PLC，PLC將檢測到的氣壓值與設定的氣壓值進行比較和處理，輸出信號控制通風機工作。當礦井內的氣壓在一個大氣壓或在設定的某個大氣壓力數值以上，工作通風機與備用通風機循環工作；當出現突發事故，礦井內的氣壓低于設定的某個大氣壓力數值，工作通風機與備用通風機不再循環工作，并自動切換為同時工作，加大對礦井內的通風量，直至礦井內的氣壓升至設定的大氣壓力數值以上，工作通風機與備用通風機恢復循環工作[3]。

在有瓦斯的礦井供風系統中，礦井內的瓦斯濃度傳感器檢測瓦斯濃度，用變送器將現場信號變換成統一的標準信號，送入A/D轉換模塊進行模式轉換，然后送入PLC，同樣PLC將檢測到的數值與設定的數值進行比較，當瓦斯濃度大于設定數值后，PLC輸出信號控制通風機停止工作，并輸出信號自動切斷井下的電源，滿足風電聯鎖要求，以免電子火花點著瓦斯，防止瓦斯爆炸事故發生。

2.2 系統硬件設計

2.2.1 系統主電路

圖2 I/O接線圖

系統主電路由4臺電動機，一臺智能型電控柜（包括西門子變頻器、PLC、交流接觸器、繼電器等），一套壓力傳感器、斷相相序保護裝置以及供電主回路等構成。該系統的核心是S7-200（CPU224）和M ICROMASTER430。M ICROMASTER 430是泵和風機類專用變頻器，擴展功能強[4]。CPU224集成了14點輸入10點輸出，共有24點數字量I/O，其模擬量擴展模塊具有較大的適應性和靈活性，且安裝方便，滿足設計需要。其系統主電路圖分別如圖2和圖3所示。

圖3 系統主電路

2.2.2 系統控制電路

如圖4所示，Q0.0～Q0.7為PLC輸出軟繼電器觸點，其中Q0.0、Q0.2、Q0.4、Q0.6控制變頻運行電路；Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7控制工頻運行電路。SA為轉換開關，實現手動、自動控制切換。當SA切在手動位時，通過SB1～SB4按鈕分別起動4臺水泵工頻運行，SB5～SB8按鈕分別停止4臺風機工頻運行。當SA在自動位時，由PLC控制水泵進行變頻或工頻狀態的起動、切換、停止運行。

圖4 系統控制電路

2.3 系統軟件設計

該系統除部分為順序控制外，從總體上來看具有隨機離散控制的特點?？刂葡到y軟件結構的流程圖如圖5所示。設定由瓦斯濃度傳感器傳送來的瓦斯濃度值為D，用戶設定不能超過的瓦斯濃度值為D0，氣壓傳感器傳來的壓力為F1，用戶要求的礦井內氣壓值為F2。

圖5 系統總流程圖

由圖5可知，按下啟動鍵后，首先檢測是否手動，如果是則手動控制操作，否則就自動正常運行；接著檢測礦井內瓦斯濃度值和大氣壓力值，進行處理判斷。若D>D0，則通風機與礦井下供電電源聯鎖停止工作并報警，否則比較判斷F1與F2的大小，若F1>F2，進入風機輪休控制子程序，啟動A風機，A風機運行一定時間后，啟動B組風機工作，A組風機停止。否則2臺通風機同時參與工作。

3 總結

利用PLC變頻器和風機通風系統進行節能技術改造，不僅簡化了系統，提高了設備的可靠性和穩定性，設備的操作和維護方便，節省能耗，同時也大大地提高了煤礦生產的安全系數。另外還可以根據需要配置相應的通信模塊，很方便地組成集散式控制系統，進行遠程監控現場設備的運行狀態，提高了企業的生產效率和經濟效益，具有一定的推廣價值。

[1]殷洪義．可編程控制器選擇、設計與維護[M]．北京：機械工業出版社，2002．

[2]周九寧．可編程控制器在礦山設備中的應用[J]．采礦技術，2004，4（1）：45-46．

[3]彭桂力，劉知貴．集中供熱鍋爐控制系統的PLC控制[J]．電力自動化設備，2006（9）：75-77．

[4]馬寧，孔紅．S7-300PLC和MM 440變頻器的原理與應用[M]．北京：機械工業出版社，2006．