關于礦用通風機變頻調速系統的設計研究

張紅宇

（山西煤炭進出口集團左權鑫順煤業有限公司， 山西 晉中 032699）

引言

煤礦井下環境復雜，通常井內部空氣不流通，包含有很多有毒有害氣體。這些有害氣體如果不對其進行干預，就會對井下工作人員身體健康造成嚴重損害，且有可能引發粉塵爆炸安全事故[1-2]。為了保障井下工作人員的安全，通常都會使用通風機來抽換礦井內的空氣，將井內有毒有害和各種粉塵等抽出井外，并且將新鮮空氣輸送到工作區域[3-4]。為了確保絕對安全，礦用通風系統都是24 h 不間斷工作。這就要求礦用通風系統必須具備非常高的可靠性。因為一旦通風系統出現故障無法正常運行，就會對井下工作人員的生命安全構成嚴重威脅。當前階段我國很多煤礦通風系統的可靠性還有待進一步提升，控制系統也無法滿足現代化生產要求。另一方面，通風系統24 h 不間斷運行，需要消耗大量電能[5-6]。如果采用定頻技術就會浪費很多的電能，不利于煤礦企業的可持續發展。基于上述分析可以看出，將變頻技術應用到礦用通風系統中并設計可靠的控制系統，具有非常重要的實踐意義和理論意義。

1 系統總體方案的設計

1.1 系統總體結構

煤礦通風機系統由多個部分構成，分別為通風機、控制和電氣設備等。每個位置都會設置兩臺通風機互為備用，正常工作狀態下只有一臺通風機使用，另外一臺通風機處于備用狀態。每臺通風機都配備有單獨的電機、電源及其他輔助裝置。圖1 所示為煤礦使用的通風機變頻調速系統總體結構圖。通過傳感器測量得到通風機的運行狀態數據信息，通過工控機和觸摸屏對通風機運行狀態進行在線監控。變頻器是整個變頻系統的核心，通過變頻器實現電動機轉速的調整，進而控制通風機的風速。通過高壓柜對變頻器進行直接供電，提供的電壓為6 kV，其他機電設備都通過抵押開關柜供電。

圖1 礦用通風機變頻調速系統總體結構圖

1.2 系統控制模式

本文設計的通風機控制系統可以通過三種方式對通風機設備進行控制，分別為現場控制、上位機控制和操作臺控制。通風系統風速大小通過變頻器驅動電機進行調節，不再需要通過傳統的蝶閥控制，可實現自動調節，極大降低了人工勞動強度，且節能效果顯著。不管是何種控制方式，都能對所有的通風機電機進行控制。系統正常工作狀態下由上位機完成電機控制工作。操作臺控制主要應用在系統調試和試驗階段，緊急情況下也可通過操作臺控制電機的啟停。

1.3 系統監測部分

通風機系統在運行過程中的現場數據信息是通過采集模塊進行收集的。需要收集的信息數據包括設備正常運行數據、通風機的工藝數據以及變頻器狀態數據等。這些數據信息通過傳輸系統輸送到PLC 中利用提前設定的程序進行處理。并通過上位機對通風機系統進行監控，上位機中利用顯示屏可以進行人機互動，本系統采用觸摸屏，操作人員可直接通過屏幕操作系統。上位機監測得到的通風機系統相關數據信息，通過信號傳輸系統輸送到煤礦調度室。工作人員可以隨時掌握煤礦井下通風機的工作狀態，并基于現場實際數據完成統一調配工作。

2 礦用通風機變頻調速系統硬件部分的設計

本系統中涉及到的硬件主要包括PLC 控制器、變頻器、操作臺等，下面分別對這些硬件進行簡要介紹。

2.1 PLC 選型及其工作原理

PLC 是整個控制系統的核心。為保證煤礦井下安全，本文選用性能相對較高的S7-400H 型號可編程邏輯控制器。該型號PLC 采用冗余CPU 設計，有較高的可靠性。當主CPU 在運行過程中突然遇到故障問題，系統會將其數據信息拷貝到備用CPU 中，由備用CPU 繼續保持工作。使用冗余CPU 控制的目的在于避免由于CPU 突發故障導致通風機控制系統癱瘓無法工作，對煤礦造成不可挽回的損失。

2.2 變頻器選型

變頻器是調節電動機轉速的重要執行機構，工作原理是通過調節頻率實現電機轉速的調節，進而調節通風系統風速大小以及風量大小。可進行現場調節和遠程調節，而遠程調節又包括操作臺調節和上位機調節。系統在正常運行時主要是通過上位機進行自動控制調節，上位機通過工業以太網和PROFIBUS-DP 協議對變頻器的頻率進行控制。為滿足通訊要求，變頻器應該配備有DP 通信端口。本系統利用西門子公司生產的無諧波變頻器，該變頻器在實際應用中具備很多優勢，比如，能與計算機進行直接連接、可靠性高、自整定電機參數等。變頻器在工作中通常會產生有害諧波和轉矩脈動，而本文選用的無諧波變頻器正好能完美消除上述兩項缺陷，使整個調節過程變得更加穩定。本變頻器中，當給定的頻率小于10 Hz 時，變頻器啟動并以10 Hz 進行工作，當給定頻率超過10 Hz 時則變頻器以給定的實際頻率進行工作。

2.3 操作臺的設計

本系統中利用兩臺低壓開關柜對操作臺進行不間斷供電，兩臺開關柜只要有一臺能夠正常工作就不會出現斷電情況。通過操作臺可實現遠程控制通風機設備電動機的啟動與停止，這樣即便上位機自動控制出現故障，也能夠通過操作臺實現系統的正常運行。

3 礦用通風機變頻調速系統軟件部分的設計

礦用通風機變頻調速系統必須要配備相應的軟件系統才能夠正常工作，軟件系統主要包含兩部分內容，分別為控制部分和監測部分，以下分別對這兩部分內容進行詳細介紹。

3.1 控制部分的設計

控制部分的作用主要是對通風機及其相關輔助設備進行遠程控制。軟件設計是基于硬件系統通過模塊化編程方式編寫控制程序，結合實際需要編寫程序，并將不同程序嵌入到對應的邏輯模塊中，每個控制任務或設備都通過與之對應的邏輯模塊進行控制。如圖2 所示為礦用通風機變頻調速系統整體控制流程圖。

圖2 礦用通風機變頻調速系統整體控制流程圖

合理設計控制程序是實現系統功能的基礎和前提，本研究通過STEP7 軟件編寫相關程序。切換柜可以在常用和備用兩種狀態下進行切換，正常情況下均在常用狀態下工作。一旦主通風機出現故障無法正常工作，系統就需要啟用備用狀態。整個切換過程涉及到很多流程，都需要通過控制程序自動實現。

如圖3 所示為通風機系統風速控制流程圖。可以在系統中設定理想的井內通風狀態，并利用專業的傳感器實時檢測井內實際的通風狀態。將傳感器檢測的實際結果與系統中人為設定的結果進行對比，如果兩者之間存在差值，系統就通過PID 控制進而驅動變頻器調節通風機風速，直到煤礦井下的實際狀態與理想狀態相同，通風機的運行狀態就保持穩定。

3.2 檢測部分的設計

圖3 風速控制流程圖

圖4 礦用通風機變頻調速系統監測部分的工作原理示意圖

如下頁圖4 所示為礦用通風機變頻調速系統監測部分工作原理示意圖。設計的監測系統由多個部分構成，主要包括PLC 控制器、上位機、傳感器、通訊系統等，監測系統的作用就是對通風機系統實施實時監測。本監測系統可將傳感器收集到的數據信息傳輸到上位機顯示屏中實時顯示，操作人員可通過各數據的變化曲線了解通風系統的工作狀態，可見本系統非常直觀，易于操作。由于采用了功能可靠的PLC 控制技術，所以本系統具有可靠性高、抗干擾性能好的特點。

利用傳感器可以監測獲得通風機出口位置的風速、風壓等關鍵數據信息，通風機的運行狀態，電機的運行狀態參數比如電壓值、電流值、功率值、溫度等。監測系統可以將傳感器收集到的數據信息存儲到服務器中，能對服務器中的數據信息進行查詢。一旦系統檢測數據信息存在異常，監測系統就會發出警報提醒工作人員。不管是在何種模式的控制方式下，都必須基于監測系統測量得到的真實數據信息進行控制，因此要求監測系統具有較高的可靠性。

4 結論

礦用通風機系統是保障煤礦井下安全的重要機械設備之一，要求24 h 不間斷運行。因此對其控制可靠性以及節能方面提出了較高的要求。本研究設計了一套礦用通風機變頻調速控制系統，主要通過性能強大的S7-400H 型號可編程邏輯控制器進行控制，因采取的是冗余CPU 設計，因此具有較高的可靠性。另外，通過變頻技術的使用，能夠為礦井節省大量的電力能源。