基于PLC 的通風機變頻調速控制系統自動化功能的設計與實現

孫偉民

（西山煤電（集團）有限責任公司教育中心， 山西 太原 030053）

引言

礦井通風系統為綜采工作面的“肺”，其在將新鮮空氣送入工作面的同時，將工作面的粉塵和污濁氣流排出工作面，達到稀釋工作面有害氣體濃度的目的。為保證工作面的安全生產，要求通風系統24 h運行，且在通風機時刻滿負荷運轉，其耗電量非常大[1]。因此，需根據工作面需風量對通風機的運行狀態進行控制，在提升通風機系統自動化水平的同時，達到節能的效果。本文著重對煤礦通風機自動控制系統的實現進行研究。

1 通風機自動控制系統功能設計與實現的理論基礎

根據通風機葉輪流動方向的不同，將通風機分為離心式、軸流式以及混流式通風機。目前，西山煤電集團綜采工作面所采用的通風機為對旋式軸流式通風機。對旋式軸流風機的結構如圖1 所示。

圖1 對旋式軸通風機結構圖

為提升通風機控制系統的自動化水平的同時達到節能的目的，本文將依據PLC 控制技術和變頻節能技術實現對通風機變頻調速運行。此外，基于PLC 自動化控制系統通過總線控制技術實現上位機和下位機的通信，實時顯示通風機的運行狀態，并對通風機的故障進行實時報警和定位[2]?？傊旱V通風機自動化控制系統的實現能夠實現對設備運行狀態的監測、控制和報警等功能。

對當前市場上變頻器品牌調研的基礎上，綜合對比各品牌變頻的優劣勢并結合通風設備的控制需求，為通風系統的變頻控制所選型變頻器的型號為SJ700 變頻器， 對應PLC 控制器的型號為S7-300PLC。

2 煤礦通風自動控制系統功能的設計及選型

自動化控制通風系統主要由配電系統、PLC 控制系統、變頻調速控制系統、監控系統以及上位機監控系統組成[3]。礦井通風機自動化控制系統的硬件配置如圖2 所示。

圖2 礦井通風機自動控制系統的硬件配置

目前，西山煤電集團井所選型通風機的系列為FBCDZ，具體型號為FBCDZ-2×200。該通風機的葉輪直徑為24 mm，額定功率為200 kW，額定轉速為740 r/min。要求備用通風機在常用通風機停機10 min 內啟動運行。

2.1 自動化控制系統PLC 控制器的設計及選型

通風機自動化控制系統的控制核心為S7-300，基于PLC 實現對通風機高低壓開關柜合閘和分閘的控制，實現對通風機運行狀態及風門的控制，并對通風機電機軸承溫度、主電機溫度等故障進行監測。為PLC 控制器配置PS307 電源模塊、315-2DPCPU 模塊、SM321 數字量輸入模塊、SM322 數字量輸出模塊、SM331 模擬量輸入模塊、SM332 模擬量輸出模塊、IM365 接口模塊以及CP343-1 通訊模塊[4]，具體如表1 所示。

表1 PLC 控制器相關模塊的選型

根據通風機自動控制系統的控制需求，為自動化控制系統配置數字量輸入模塊為96 點，數字量輸出模塊為48 點，模擬量輸入模塊為8 路，模擬量輸出模塊為4 路。

2.2 自動化控制系統變頻調速功能的設計及選型

根據通風機在工作面的配置情況及每臺通風機配置兩臺電機的情況，采用“一拖一”的控制原則實現對通風機的變頻調速控制，具體控制思路如圖3所示。

圖3 通風機“一拖一”變頻調速控制

如圖3 所示，每臺電機由單獨的變頻器進行控制，1 號通風機為主用通風機，2 號通風機為備用風機。根據變頻器結構的不同可將其分為交- 交變頻器（直接變頻器）和交- 直- 交變頻器（間接變頻器）。目前，在工業生產中應用最為廣泛的變頻器為間接變頻器。根據變頻器選型經驗和市場調研，選擇三菱公司的FR-E500 變頻器。該變頻器具備RS485通信功能，可對多段速度進行調節，用戶可對上限頻率和下限頻率進行設定，并可根據通風機的運行狀態完成瞬間停電后再啟動的功能[3]。

2.3 自動化控制系統監控功能的設計及傳感器選型

通風機自動化控制系統還包含對電機軸承溫度和主電機溫度的監測和控制。針對通風機主電機溫度采用PT100 鉑熱電阻進行采集，該溫度傳感器的量程范圍為-50～150 ℃。采用EDA9018 溫度采集模塊對通風機軸承溫度進行監測。

此外，通風機風量控制需根據工作面的需風量和實時通風量進行控制。其中，采用LLD-EX 微壓差變送器實時對通風量進行監測，并由EDA9017 模擬量采集模塊對所監測到的數據進行采集并傳送至PLC 控制系統對數據進行處理[5]。

為實時顯示通風機的運行參數及故障信息，基于總線通信控制技術通過上位機實時顯示通風機運行參數，并對故障狀態進行報警。為上位機配置觸摸屏并將其與PLC 控制系統連接，通過上位機實現對通風機風量的控制。

3 通風機自動化控制系統功能的實現

根據通風機自動化控制系統的控制需求及PLC控制系統、變頻調速控制系統以及監測控制系統的總體設計，設計如圖4 所示的通風機自動化控制系統主界面。

圖4 通風機自動化控制系統結構框圖

如圖4 所示，通過工業以太網實現工控機和PLC 控制系統之間的通信，即將通風機現場所采集的數據通過PLC 處理后在工控機上進行實時顯示，與此同時PLC 控制系統將所采集到的數據與工作面需風量進行對比得出對應的控制策略以實現對現場變頻調速系統的控制，從而達到對通風機風量的調節。此外，作業人員可觸摸屏將控制指令傳送至PLC 控制器進而實現對現場設備的控制。

綜上所述，將通風機PLC 控制系統、變頻調速控制系統、在線監控系統等關鍵分系統通過以太網通信控制技術實現通風機的自動化控制。

4 結論

1）工作面通風機采用“一備一用”的原則進行配置，并為其每臺通風機配置兩臺電機；

2）以S7-300PLC 和SJ700 變頻器為核心實現通風機的自動化控制，使得通風機能夠通過工作面需風量和實時通風量對通風機進行變頻控制，在實現自動化控制需求的同時達到節能的目的。

3）基于以太網通信技術實現上位機與PLC 控制系統的通信，使得工控機能夠實現顯示現場設備的運行參數，并對故障信息進行報警的功能。

（編輯：趙婧）