礦用通風機變頻調速系統的設計應用

李曉君

（大同煤礦集團有限責任公司機電管理處， 山西 大同 037003）

引言

目前，變頻調速技術在礦用通風機上應用較為廣泛，據分析，傳統的通風機控制技術，其通風效果普遍較低，在45%～65%之間，其能量損失較大。變頻調速技術的應用，對提高通風機的通風效果具有明顯效果[1]。

一些大型煤礦企業的煤礦通風機逐漸使用了變頻調速技術，如神火煤礦公司將主通風機改造成變頻調速技術后，每年可節約近50萬元的電費支出[2]。因此，變頻調速技術在通風機上的應用，不僅可以提高通風機的運行可靠性和安全性，同時還可大大節約企業成本支出，提高煤礦生產智能化水平。

1 通風機變頻調速系統總體方案設計

結合工程實際，對通風機變頻調速技術的總體方案進行設計，其系統結構如圖1所示。該系統包括了硬件和軟件兩大部分，主要設計了兩臺PLC變頻器，通過采用模擬量的控制方式實現通風機的變頻調速控制和手自動一體化的控制切換與故障報警。

圖1 通風機變頻調速系統結構圖

通風機變頻調速技術的工作原理為：該系統中的瓦斯傳感器R0、R1、R2分別采集井下掘進工作面、回風流巷及局部通風機處的瓦斯濃度，將采集的模擬信號通過A/D轉化，在PLC變頻器的作用下轉化為系統可處理的數字信號，由此完成信號的采集。同時，系統將轉化的數字信號與斷電瓦斯濃度臨界值進行分析判斷，由此確定系統是否斷電。而將掘進工作面上采集的信號與其對應的瓦斯濃度臨界值進行對比，并由此確定井下瓦斯濃度模擬電壓值和風量模擬電壓值，通過兩電壓值的對比，將大的電壓值輸出至變頻器，驅動通風機的運轉，實現對通風機風量的變頻調速。在此過程，可通過手動和自動方式實現變頻調速，通過變頻調速及PLC控制判斷，可使系統針對不同情況發出瓦斯濃度報警、變頻器故障報警及通風機故障報警等報警提示，由此提高了通風機的系統安全。

2 通風機變頻調速系統主要設備選型設計

2.1 變頻器選型設計

變頻器類型包括交直交變頻器、交交變頻器兩種，目前，市場應用較為廣泛的是交直交變頻器。在變頻器選擇時，可根據通風機的使用功率、控制系統控制數量和負載類型，以此確定變頻器的型號和數量[3]。根據市場調研，選用了西門子的SiemensGl20變頻器，該變頻器具有較強的通訊能力和安全保護能力，如圖2所示，在使用過程中更加靈活、可靠、節能，其具體功能及參數如下頁表1所示。

圖2 西門子SiemensGl20變頻器實物圖

表1 SiemensGl20變頻器主要性能參數表

2.2 控制器選型設計

PLC是控制器核心基礎，控制器設計時要求PLC具有功能齊全、可操行性強、維護性高、通用性強等特點，而PLC主要由存儲器、微處理器、電源等組成，其結構組成如圖3所示。PLC在選擇時，主要依據如下原則：一是企業一般選用性能穩定、功能齊全的PLC；二是PLC的結構形式可根據控制系統使用環境的復雜性和可維修性來確定；三是PLC型號可根據控制系統需要的功能多少來確定選擇高檔機或低檔機[4]。因此，根據市場調研，結合工程實際，選用了西門子S7-200系列的PLC類型。

圖3 PLC基本結構組成圖

2.3 瓦斯濃度傳感器選型設計

井下發生煤礦事故的主要因素是瓦斯濃度過大，因此，瓦斯濃度是控制系統檢測的重要對象。根據市場調研，選用了KG9701型低濃度沼氣傳感器，如圖4所示。該傳感器可主動連續的對井下瓦斯濃度進行信號采集，并將采集的瓦斯濃度模擬信號直接轉換為數字信號，以供控制系統進行信號處理分析；同時，該傳感器自帶顯示屏，可對檢測的瓦斯濃度進行直觀顯示，并與設置的瓦斯濃度臨界值進行判斷，進而發出報警提示，具有功能齊全、一機多用、性能可靠、抗干擾能力強、操作方便等特點。目前，廣泛應用于機電硐室、煤礦掘進面等領域。其主要性能指標如表2所示。

2.4 傳感器安裝位置設計

傳感器位置的正確安裝，直接影響著控制系統對井下通風情況的監測精度。因此，需對通風機變頻調速控制系統中傳感器安裝位置進行正確安裝。結合工程實際，在掘進工作面附近的5 m處安裝RO瓦斯濃度傳感器，在風流較穩定的回風巷處安裝R1瓦斯濃度傳感器。由于污流區的風壓較大，將R2壓力傳感器安裝于污流區的出口尾端[5]。其傳感器具體安裝如圖5所示。

圖4 KG9701型低濃度沼氣傳感器實物圖

表2 KG9701型低濃度沼氣傳感器主要性能參數

圖5 傳感器安裝位置示意圖

3 通風機變頻調速系統主要控制程序設計

變頻調速系統的控制程序主要包括主控程序、模擬量檢查程序、瓦斯濃度采用程序等組成，通過這些程序，可實現對通風機工作過程通過性能控制。

3.1 主控程序1設計

主控程序1作為通風機變頻調速系統重要程序，可實現程序的判斷、模擬量檢查程序2調用及瓦斯濃度采集程序3調用的功能，實現對井下瓦斯濃度的檢測、報警和風機通風量調節，其程序的流程如圖6所示。

圖6 主控程序1設計流程圖

3.2 模擬量檢查程序2設計

模擬量檢查程序2主要用于實現對各輸入信號的檢查，通過設置的判斷程序，實現對EM255元件連接情況及通電情況的判斷，其程序的設計流程圖如圖7所示。

3.3 瓦斯濃度采集程序3設計

瓦斯濃度采集程序3是實現對井下瓦斯濃度采集檢測的重要程序，通過該程序，可實現對井下掘進面瓦斯濃度的采集，并對瓦斯濃度進行平均值計算，使企業更好地掌握井下的瓦斯濃度值。其程序的設計流程如圖8所示。

4 結論

本文所設計的變頻調速系統具有較好地風機風量控制效果，能實現對井下瓦斯濃度的檢查、計算、報警及控制等功能，其在通風機上的應用，大大增強了礦用通風機通風量的智能化監測精度，提高了通風機的通風效果和井下作業安全，可為企業節約電費支出。

圖7 模擬量檢查程序2設計流程圖

圖8 瓦斯濃度采集程序3設計流程圖

[2] 李文濤.礦井主通風機變頻調速監控系統研究與開發[D].青島：青島科技大學，2013.

[3] 張帥，夏承莉，張寬琦，等.基于PLC控制的礦用通風機監控系統的研究[J].煤礦機械，2012，33（7）：210-211.

[4] 閔磊.基于PLC和組態軟件的局部通風機監控系統的研究[D].淮南：安徽理工大學，2012.

[5] 馬群.基于PLC和變頻器的對旋風機防喘振系統研究[D].淮南：安徽理工大學，2012.