選煤廠通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王志國(guó)

（山西華陽集團(tuán)新能股份有限公司二礦選煤廠， 山西 陽泉 045000）

引言

某選煤廠原煤倉、精煤倉高度可達(dá)30 m 左右，瓦斯大量積聚，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)瓦斯超限，有發(fā)生瓦斯爆炸的潛在危險(xiǎn)，威脅著選煤工人的生命安全。為保證選煤廠安全生產(chǎn)，必須將選煤廠內(nèi)瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶畠?nèi)。該選煤廠通風(fēng)系統(tǒng)即在瓦斯?jié)舛容^高或者超限后，自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，降低瓦斯?jié)舛龋划?dāng)瓦斯?jié)舛冉档椭涟踩岛螅L(fēng)系統(tǒng)可停止運(yùn)轉(zhuǎn)[1-2]。因此，研究選煤廠通風(fēng)系統(tǒng)具有重要意義。文獻(xiàn)[3]研究了選煤廠瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)檢測(cè)、測(cè)量以及控制方法，并周期性地將數(shù)據(jù)傳送至PLC 控制器，將瓦斯?jié)舛认薅ㄔ谠O(shè)置范圍之內(nèi)，保證選煤廠各系統(tǒng)安全運(yùn)行。文獻(xiàn)[4]對(duì)選煤廠內(nèi)瓦斯?jié)舛确植记闆r作了詳細(xì)的研究，分析了選煤廠溫度、壓力等因素對(duì)瓦斯?jié)舛确植嫉挠绊懀⑻岢鲋鲃?dòng)治理、降低瓦斯?jié)舛鹊拇胧Ｎ墨I(xiàn)[5]利用TCP/IP 通信、CAN 總線通信模式建立選煤廠遠(yuǎn)距離瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控平臺(tái)以及通風(fēng)機(jī)控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)，確保選煤廠瓦斯?jié)舛炔怀瑯?biāo)，實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定生產(chǎn)。某選煤廠通風(fēng)系統(tǒng)存在的主要問題是恒速工頻運(yùn)行，造成電能的極大浪費(fèi)；控制系統(tǒng)接線復(fù)雜，維修維護(hù)工作量大。文章為解決上述問題，設(shè)計(jì)基于總線通信的選煤廠通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)，保證選煤廠安全、高效生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)控制原理分析

選煤廠通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)原理見圖1 所示，設(shè)計(jì)風(fēng)速、瓦斯檢測(cè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸出風(fēng)速實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)控制。PLC 控制起根據(jù)風(fēng)速傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞣答仈?shù)據(jù)，當(dāng)瓦斯?jié)舛雀哂谠O(shè)定危險(xiǎn)值時(shí)，PLC 控制器控制變頻器增加輸出頻率，進(jìn)而增加輸出風(fēng)速，達(dá)到降低瓦斯?jié)舛鹊哪康模划?dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀谠O(shè)定危險(xiǎn)時(shí)，PLC 控制器控制變頻器減小輸出頻率，進(jìn)而減小輸出風(fēng)速，甚至停止通風(fēng)機(jī)輸出，達(dá)到節(jié)約電能的目的。

圖1 選煤廠通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

選煤廠通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖見圖2所示，由監(jiān)控層、控制層兩部分組成，層間以CAN 總線通信完成數(shù)據(jù)交互。監(jiān)控層為選煤廠通風(fēng)控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)，可實(shí)時(shí)顯示通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息、風(fēng)速/瓦斯傳感器數(shù)據(jù)、檢測(cè)點(diǎn)風(fēng)量信息等。控制層由控制系統(tǒng)、原煤倉變頻系統(tǒng)、精煤倉變頻系統(tǒng)三部分組成，通信模式為CAN 總線通信。1 號(hào)變頻器柜控制1 號(hào)通風(fēng)機(jī)，同時(shí)周期性采集風(fēng)速傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù)，進(jìn)而控制變頻器的輸出頻率，完成通風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。另外，啟動(dòng)1 號(hào)、2 號(hào)通風(fēng)機(jī)時(shí)，采用變頻啟動(dòng)模式，降低了啟動(dòng)電流，延長(zhǎng)了通風(fēng)系統(tǒng)機(jī)械部件的使用壽命。

圖2 選煤廠通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選煤廠通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)用到的主要硬件包括PLC 控制器、變頻器、風(fēng)速傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌⑼L(fēng)電動(dòng)機(jī)、CAN 總線隔離器以及HMI 監(jiān)控平臺(tái)等。PLC 控制器選用西門子S7-1200 系列，該控制器的指令集功能強(qiáng)大、編程簡(jiǎn)單、可靠性好、自帶40 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)，可擴(kuò)展模擬量輸出模塊，支持CAN總線通信、PPI 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、MPI 通信等，滿足選煤廠通風(fēng)系統(tǒng)控制要求[6-7]。變頻器選用西門子Simovert MV，該變頻器基于PWM 矢量控制技術(shù)交流調(diào)速范圍廣、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、恒轉(zhuǎn)矩特性好、抗干擾能力強(qiáng)；該變頻器可將通風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)電流限制在額定電流以下，降低通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)以及通風(fēng)機(jī)機(jī)械部件的沖擊。通風(fēng)機(jī)選用BT35-11 軸流式防爆變頻異步電動(dòng)機(jī)，通風(fēng)能力強(qiáng)，可將風(fēng)送達(dá)指定區(qū)域；該通風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，額定風(fēng)量為18 250 m3/h，額定功率為2 200 W，額定風(fēng)壓為300 Pa，全壓效率可達(dá)85%，滿足選煤廠通風(fēng)要求。選用GFW15型風(fēng)速傳感器，用于測(cè)量通風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速，可將4～20 mA 電流信號(hào)傳送至PLC 控制器，也可在自帶的顯示上直接查看風(fēng)速值[8-9]。該風(fēng)速傳感器的風(fēng)速與風(fēng)量之間的關(guān)系可表示為式（1）：

式中：Q 為風(fēng)量值，m3/s；V 為該風(fēng)速檢測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)速，m/s；S 為該風(fēng)速檢測(cè)點(diǎn)的橫截面積，m2。

選煤廠通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)中控制系統(tǒng)與監(jiān)控平臺(tái)、控制系統(tǒng)與1 號(hào)、2 號(hào)變頻器采用CAN 總線通信模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送以及控制，接口電路如圖3 所示。采用CTM8251A 為核心芯片，供電電源為DC3.3V，在該芯片內(nèi)部集成了CAN-bus 收發(fā)電路[10]，4 號(hào)管腳RXD 為RD1 信號(hào)，3 號(hào)管腳TXD 為TD1 信號(hào)，輸出為CANH 以及CANL。CTM8251A 芯片可將邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為差動(dòng)電平且抗干擾能力強(qiáng)，保障CAN 總線通信的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。對(duì)CAN 總線通信電路進(jìn)行硬件連接時(shí)，需在通信兩端增加120 Ω終端電阻，保證通信質(zhì)量，減少丟包率。

圖3 CAN 總線通信接口電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

選煤廠通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程方案實(shí)現(xiàn)，分為上電前準(zhǔn)備模塊、CAN 總線通信建立、維護(hù)以及數(shù)據(jù)處理模塊、變頻控制過程模塊、模擬量處理模塊、故障處理模塊以及系統(tǒng)邏輯處理模塊七部分。每個(gè)模塊編程時(shí)，設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)以及返回值，每個(gè)模塊獨(dú)立完成功能且開放參數(shù)與其他模塊完成數(shù)據(jù)交互。CAN 總線通信建立、維護(hù)以及數(shù)據(jù)處理模塊需建立控制系統(tǒng)與監(jiān)控平臺(tái)、控制系統(tǒng)與1 號(hào)變頻柜、控制系統(tǒng)與2 號(hào)變頻柜三條CAN 總線連接，波特率統(tǒng)一設(shè)定為250 kbps，采用擴(kuò)展幀，數(shù)據(jù)處理時(shí)按照約定的CAN 總線通信協(xié)議將數(shù)據(jù)進(jìn)行解包和打包。圖4 所示選煤廠通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)的變頻控制過程模塊，在完成變頻器、通信模塊參數(shù)的初始化工作后，配置CAN總線通訊的PDO 變量；完成后將變頻器切換至允許運(yùn)行狀態(tài)并啟動(dòng)變頻器。當(dāng)檢測(cè)變頻器無故障后，控制系統(tǒng)對(duì)周期性采集到的風(fēng)量、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù)進(jìn)行解析，并按照上頁圖1 所示對(duì)風(fēng)速、瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行雙閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保證瓦斯?jié)舛鹊陀谠O(shè)定的危險(xiǎn)值。

圖4 選煤廠通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)軟件流程

5 應(yīng)用分析

2021 年5 月在某選煤廠基于該通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)原煤倉、精煤倉的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并記錄。為驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的有效性，記錄為采用該方案和采用該方案后的一天內(nèi)最高、最低瓦斯?jié)舛戎怠．?dāng)原煤倉、精煤倉倉滿停運(yùn)、停車檢修時(shí)，瓦斯?jié)舛葧?huì)急劇升高，需加大通風(fēng)機(jī)風(fēng)速；當(dāng)煤料入倉、放倉時(shí)，瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)較大，需頻繁調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)風(fēng)速。下頁表1 所示為記錄的2021-05-07 開始后的連續(xù)8 d 原煤倉每天最低、最高瓦斯?jié)舛戎担杀?可知，采用文章設(shè)計(jì)的通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)后，瓦斯?jié)舛鹊玫搅溯^大的改善，將1 d 內(nèi)的最高瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.4%以下甚至更低，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

表1 選煤廠瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) %