基于PLC實現對礦井風機機組的變頻控制

王巧玲

（山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

通風機作為通風系統的關鍵設備，目前工作面通風機的啟動方式為最直接啟動，且通風系統在實際實際過程中未能根據現場的瓦斯、粉塵等有害氣體濃度對風機的通風量進行實時控制。鑒于上述現狀，導致通風機的啟動電流較大，從而對電網及相關設備造成沖擊；通風機的恒頻運轉對電能造成浪費[1-2]。變頻控制技術是解決上述問題的關鍵。本文將PLC設計應用于對礦井風機機組的變頻控制，從而達到延長設備使用壽命及節能的目的。

1 變頻控制系統的設計原則

1）經驗表明，綜采工作面通風機機組每年的耗電量占據煤礦總耗電量的15%～20%。因此，在實現通風機基本作業任務的同時，最大限度地實現其節能效果；

2）要求變頻控制系統內的高低壓配電分系統、變頻拖動分系統、通風控制分系統等有機結合，相互配合；

3）變頻控制系統能夠對通風機及其附屬設備進行集中控制；能夠實現對通風機常用與備用之間的切換、實現對通風機的反風操作，能夠對通風機及其附屬設備的實時工作狀態進行監測、記錄、顯示并出現故障時發出報警[3]。

2 變頻控制系統的總體結構設計

為進一步提升變頻控制系統的安全性和可靠性，本控制系統采用冗余設計的原則。在綜合考慮上述設計原則的基礎上，設計如圖1所示的變頻控制系統。

如圖1所示，變頻控制系統主要包括有高低壓配電、控制、傳動以及在線監測等功能，且每個分系統均采用的冗余設計，即當任何一分系統由于出現故障或者處于檢修時通風機仍可繼續工作。

圖1 變頻控制系統總體結構

3 各分系統的設計

3.1 高低壓配電分系統的設計

變頻控制系統高壓配電分系統采用6 kV雙回路電源進線，單母線分段接線方式；低壓配電分系統采用雙回路電源進行方式，且系統的關鍵部分對其采用不間斷UPS供電，預防市電供電發生故障時，系統停機現象[4]。

基于冗余設計，變頻控制由傳統的“一拖一”控制模式改進為當前的“一拖二”控制模式，提升了系統的可靠性。即，綜采工作面的兩臺變頻器可實現對電機的四種拖動方式，與其對應的切換柜系統如下頁圖2所示。

3.2 傳動分系統的設計

變頻器為實現通風機機組變頻控制的核心，其主要功能是通過改變頻率實現對通風機電機轉速的控制，從而達到對通風機風量調節的目的。變頻調速原理如公式（1）所示：

式中：n為提升機電機的轉速；f為電機頻率；s為轉差率；p為提升機電機的極數。根據控制需求，要求變頻器能夠與PLC和PROFIBUS進行通信，故變頻器具有DP通訊接口。經調研所選擇變頻系統為無諧波變頻系統，該變頻電機的關鍵參數如表1所示。

圖2 切換柜系統圖

表1 變頻電動機主要技術參數一覽表

3.3 控制分系統的設計

3.3.1 PLC的選型

根據通風機機組的實際控制需求及應用場合，選用的PLC控制需具有高可靠性、高冗余性和可擴展等功能。針對綜采工作面生產過程中為確保綜采工作面的瓦斯濃度、煤塵濃度等符合相關標準要求，必須要求通風機時刻運行[5]。鑒于此，對PLC控制系統的冗余特性要求更高。PLC較好的冗余特性可以時刻保證通風機的正常運行。

根據系統的控制需求，結合經濟性的原則選用PLC的型號為S7-400H系統，且該PLC系統的CPU型號為412-3H；冗余系統的型號為AS412-3-2H。

3.3.2 PLC硬件的設計

目前，寺家莊礦共有2套通風機機組，故需對應設計2套PLC控制系統及PLC控制柜。根據控制需求，將冗余系統安裝于1號PLC控制系統中，同時1號PLC控制柜由UPS供電，其余兩個控制柜由220 V電源供電。本文著重對1號PLC控制柜的硬件進行選型設計。

根據1號控制柜所控制通風機的及其輔助設備的生產需求，1號控制柜中PLC的相關模塊及數量統計如表2所示。

1號PLC控制柜的硬件配置如圖3所示。

3.3.3 PLC軟件的設計

結合通風機機組變頻控制的實際控制需求，旨在確保通風機機組可在實現其正常通風功能的基礎上，達到節能、延長設備使用壽命的功能，其PLC采用的程序采用模塊化設計的原則。基于PLC控制程序對變頻器進行控制并切換，從而達到對通風機機組的控制。故，PLC控制程序主要包括有組織塊、功能塊、數據塊等內容。基于上述原則，設計如圖4所示的PLC控制流程圖。

表2 1號PLC控制柜模塊及數量統計

圖3 1號PLC控制柜硬件配置圖

4 變頻控制節能效果分析

通風機在實際生產中每天的耗能計算公式如（2）所示：

圖4 PLC控制流程圖

式中：W為耗電量；U為壓風機電機的運行電壓，取6 kV；I為壓風機的運行電流，其中在正常運行時I1=30 A，在空載運行時I2=18 A；cosφ為壓風機空載運行時的功率因數，取0.8；t為壓風機對應工況的運行時長。

改造前，壓風機每天均處于正常運行狀態，t=24h。則改造前壓風機耗電量為

改造后，壓風機正常工況運行時間為18 h，空載工況運行時間為6 h。則改造后壓風機耗電量為：W2=

則每天可節約電能為W3=W1-W2=598.58kW·h，每年可節約電量為W4=360W3=215 488.512 kW·h。

設工業用電每度為0.6元，則經節能設計后每天壓風機每年節約電費為：215488.512×0.6=129293元。