礦井對旋通風機自動化調頻控制系統的設計研究

續文靜

（晉能控股煤業集團同家梁礦， 山西 大同 037001）

引言

對旋通風機是煤礦生產中重要的通風設備，可向井下的工作面輸送新鮮空氣，并將井下的瓦斯等有毒有害氣體排出，對煤礦的生產安全具有直接的影響。通風機在煤礦的生產中需持續地運轉，消耗大量的電能。隨著節約型社會建設的要求，對通風機的運行進行高效、節能控制是重點研究方向[1]。同時通風機在運行過程中，需依據現場環境的變化，進行風量、風壓的不斷調節，從而滿足工作面通風的需求。針對對旋通風機的調節控制，采用變頻控制的方式進行通風機的一體化自動控制[2]，從而提高對旋通風機運行的自動化控制水平及可靠性，為煤礦的生產安全提供有力保障。

1 對旋通風機變頻調速控制系統設計

對旋通風機采用兩級葉輪的形式進行通風作業，兩級葉輪之間相距較近，采用兩臺獨立的專用電機驅動葉輪朝著相反的方向旋轉[3]?？諝饨橘|經過一級葉輪的加速后，通過二級葉輪排出，增加氣流的能量，提高通風機的效率及壓力。在通風機需要進行風量調節時，可采用恒轉速調節和變速調節兩種方式[4]，恒轉速調節指通風機的轉速保持不變，通過改變通風機葉輪的角度或風門等進行風量的調節[5]；變速調節指通過改變通風機的轉速，從而改變通風機的特性，實現運行工況的最佳效果，從而進行風量的調節。在兩種調節方式中，采用變速調節的方式可以降低通風機的能耗[6]，減小風壓的作用，從而獲得較大的風量，是進行風量調節的最佳方式。

對通風機的風速進行調節的方式包括改變電機的磁對數或轉差率及改變電源的頻率，變頻器進行通風機的變頻調速控制是常用的控制方式[7]。采用V/F控制方式的變頻器算法簡單、成本較低，是進行通風機變頻調速的主要方式。

礦用的通風機常用6/10 kV 高壓電機進行驅動，對其進行變頻器內置常采用H 橋級聯型高壓變頻器。在使用過程中，高壓變頻器的主回路如圖1 所示[8]，高壓變頻器采用交- 直- 交高壓變頻的方式進行驅動，變頻器的主回路結構如圖2 所示，采用功率單元串聯進行疊波升壓的方式。6 kV 高壓變頻器副邊繞組的數量為18 個，采用等邊三角形連接的方式對功率單元進行三相供電[9]。輸入側采用隔離變壓器進行二次線圈的移相，相當于系統中36 脈沖的不可控整流輸入，從而消除了單個功率單元的諧波電流，從而抑制系統的諧波，實現無諧波的高頻控制，提供控制系統的穩定性[10]。

圖1 6 kV 高壓變頻器主回路連接示意圖

圖2 高壓變頻器的主回路基本結構

2 對旋通風機變頻協調控制

對旋通風機在實際的煤礦生產中，依據工況的不同對兩級葉輪的運行常有三種不同的工作狀態，即前級葉輪和后級葉輪同時運轉、前級葉輪靜止后級葉輪運轉和前級葉輪運轉后級葉輪靜止。在三種不同的運轉狀態中，需要對通風機的兩臺電機進行協同控制，從而實現通風機調節時電機的同步啟動、調速或停機[11]。采用變頻控制的方式對兩級葉輪進行協同控制可以分為兩種方式，即采用PLC 作主控器控制或對變頻器進行串行控制。

采用PLC 作為主控制器對對旋通風機的葉輪進行協調控制，則系統采用Profibus-DP 總線的形式進行控制，采用變頻器作為從站與主站之間的PLC 通信，系統的總線結構如圖3 所示。

圖3 現場總線連接示意圖

對變頻器的控制可以采用兩種方式，一種方式為圖3 中DP 地址為3、4 的變頻器互相進行主從控制，PLC 主控制器通過現場總線結構來自變頻器的控制指令，然后通過現場總線的方式將其發送給2 號變頻器，從而2 號變頻器跟隨1 號變頻器進行啟停動作；另一種方式為1 號及2 號變頻器直接與主站相連接，同時接收PLC 的控制指令，不依靠主從關系實現同步控制[12]。兩種控制方式均可在組態組網之后直接調用相關的功能模塊，實現PLC 與變頻器之間的通信，實現協調控制。

當系統整體沒有PLC 進行控制時，則將系統中兩組互為備用的變頻器作為主從控制機組，主從控制機組之間采用串行通信的方式，設定相應的通信地址與對應的控制參數，當主機接收到控制指令的同時，將該指令下發給從機，實現同步控制，系統的結構如圖4 所示。這種控制方式可以實現通風機兩級葉輪的協調控制，且不需要增加PLC 控制器，配置簡單，系統的成本較低。

圖4 串行通信連接示意圖

3 對旋通風機控制系統的整體設計

依據變頻調速對旋通風機系統的控制方案，對通風機的整體控制系統進行升級，系統的整體配置需包括操作系統、監控系統、調速系統。操作系統指對系統進行指令下發的交互系統，主要包括操作員站及兩套PLC，通過Profibus-DP 總線進行系統的通信及信號傳輸。為保證操作系統的穩定及安全，系統需采用冗余及容錯的設計，對數據進行備份及恢復。操作站配置相應的PC 機及人機界面，對系統進行控制。

監控系統主要通過傳感系統對現場的數據進行采集，傳感器采集的數據經過從站匯集后通過現場總線與PLC 和上位機進行數據傳輸，系統端需與煤礦生產的調度網絡相連接，從而實現通風機的遠程控制。傳感器采集的數據主要包括礦井生產主通風機的風量、風壓、軸承溫度、電流電壓及風機的狀態等，傳感系統進行實時數據的采集及傳輸，并進行圖形化的顯示，保證煤礦的生產安全。

調速系統依據煤礦生產對通風機的運行要求對整個礦井的風量及風壓進行調節控制。系統傳動部分采用4 臺變頻器分兩組進行主從控制，將每臺變頻器作為從站連接至總線，實現上位機對變頻器參數的實時讀取。兩組變頻器中的從機不直接與PLC 相連，當PLC 與主機完成通信之后，主機將接收到的指令經變頻器間的通信接口傳遞至從機，實現兩臺變頻器之間的協調控制，并依據系統的需求進行頻率的變化，實現對旋通風機轉速的調節。

4 結語

對旋通風機是煤礦生產通風廣泛使用的設備，隨著自動化控制的發展應用，對通風機進行自動化、節能控制是主要的發展方向，可以提高煤礦整體的自動化水平。依據變頻技術研究對旋通風機的控制系統，針對通風機的調速系統及協同系統給出了變頻器的控制方案，并對通風機的整體控制系統升級配置進行描述。可將其應用到礦井通風機的實際應用中，提高通風機調節的穩定性及自動化水平，并具有良好的節能效果。