礦用通風機變頻控制系統設計與研究

劉 婕

（山西省能源職業學校/山西省能源職工教育中心，山西 太原 030012）

引言

影響煤礦井下開采作業安全性的主要因素之一是在采掘過程中所產生的大量易燃易爆粉塵及CH4、CO 等毒性氣體，通風機作為煤礦主要通風設備，主要負責井下有害氣體及粉塵的排出和新鮮空氣的注入，通常需要保持全天不間斷運行，以保證井下空氣穩定流通，因此通風機也成為了煤礦主要的耗能設備。目前多數煤礦的通風機在直接啟動后會保持恒轉速運行，然后通過風門對風量進行調節，該方式不僅造成了大量的電能損耗，經濟性較差，同時控制精度也十分受限，無法滿足煤礦的實際通風需求[1-4]。

通過上述分析可以看出，如何減小通風機電機的啟動電流并使其輸出風量根據實際需求自動改變，是實現煤礦通風機智能化節能運行的關鍵。針對上述問題，本文采用變頻控制技術以“一拖一”的方式對通風機電機進行軟啟動控制及自適應風量輸出調節，并對通風機的風量、風壓及電機電壓、電流、功率等主要運行參數進行實時監測，整個系統的數據交互采用以太網+Profibus 復合通信網絡實現，有效提高了煤礦通風機的運行節能性及智能化程度。

1 系統設計總體方案

1.1 變頻控制系統功能分析

本文所設計的通風機變頻控制系統的應用煤礦配備了兩臺互為備用的通風機，通常情況下由一臺通風機對井下進行24 h 不間斷送排風，當主通風機出現異常或停機檢修時由備用風機繼續工作。每臺通風機配備一個潤滑站、一臺電機加熱器和一臺冷卻風機三個輔助設備，用于保證通風機在運行過程中具備良好的散熱、防冷防潮及潤滑功能。控制系統的設計原則首要保證通風機的安全可靠控制，在此基礎上實現風機的經濟運行。變頻控制系統具體功能如下：

1）通風機軟啟動及變頻節能控制。系統可通過變頻器軟啟動方式有效減小風機啟動電流。同時系統采用變頻驅動的方式根據實際用風需求對風機功率進行實時自適應調節，實現節能運行。

2）手動自動控制模式無擾動切換。系統可根據上位機控制系統對通風機的啟停及調速進行自動程序控制，當遇到緊急情況時，系統可無擾動切換至手動模式采用遠程遙控及就地控制方式對通風機進行手動控制。

3）風機輔助設備集中控制。控制系統可對通風機的潤滑站、電機加熱器、冷卻風機及風門等裝置進行遠程集中控制，保證通風機安全穩定運行。

4）通風機運行狀態實時監測。系統可通過上位機人機交互界面直觀顯示風機實時風量、風壓及變頻器運行參數等關鍵數據，并具備數據管理、存儲等功能。

1.2 系統總體架構

按照通風機變頻控制系統的功能需求，本文采用模塊化結構對控制系統進行設計，系統總體結構如圖1 所示。控制系統共包含上位機監控平臺、PLC 主控模塊、變頻驅動模塊、參數采集模塊及通信模塊等部分。其中上位機監控平臺包括人機交互界面及操作臺，可實現對風機的遠程手動自動控制及運行狀態監測。PLC 主控模塊是本系統的控制核心，用于運行參數的上傳及控制指令的下達。變頻驅動模塊主要由多組變頻器構成，用于實現風機功率的變頻控制。參數采集模塊主要由各類傳感器組成，可對運行中的通風機各項參數及變頻器參數進行實時采集和上傳。系統的通信網絡主要由工業以太網及Profibus 組成，其中上位機與主控模塊的通信通過以太網完成，主控模塊與變頻器的通信通過Profibus 完成。

圖1 通風機變頻控制系統總體結構

2 硬件方案設計

通風機變頻控制系統的硬件方案設計內容主要為PLC 主控模塊、數據采集模塊及變頻驅動模塊三大部分的選型及設計。

2.1 PLC 主控模塊選型設計

為了保證系統的控制效果及經濟性，系統PLC主控器型號選用S7-300 PLC，主控的CPU 型號選為314C-2DP，其內部集成了多組數字量、模擬量輸入輸出接口，可滿足系統各類信號的傳輸需求。同時控制器內部自帶多個以太網、現場總線及MPI/Profibus DP通信模塊，用于完成上位機與PLC 主控器、PLC 主控器至變頻器的通信，保證系統數據可靠傳輸。

2.2 數據采集模塊選型設計

數據采集模塊主要由各類傳感器組成，用于實時采集上傳通風機、風門、變頻器及輔助設備的主要運行參數，其結構如圖2 所示。

圖2 數據采集模塊總體結構

數據采集模塊中的風量傳感器選用型號為KGF2，其可測風速范圍為0.3～15 m/s，最大允許誤差可達±0.3 m/s。風壓傳感器選用KGY3A 型礦用負壓傳感器，其風量測量范圍為0～600 m3/s，基本誤差＜±0.3 m3/s。瓦斯傳感器選用GJG10J 型礦用激光甲烷傳感器，其測量范圍為（0～10）%CH4，基本測量誤差可穩定維持在±0.06%，響應時間＜15 s。溫度傳感器選用型號為KG3007A，其測溫范圍為0～100 ℃，基本誤差≤±2 ℃，具備故障自檢功能，便于維護。振動傳感器選用型號為GBC20，其測量范圍為0～20 mm/s，輸出阻抗≤500 Ω，頻率響應為10～1 000 Hz。以上傳感器均可輸出4～20 mA 標準電流信號，且支持RS485 通信，可滿足本系統的參數采集及數據傳輸需求。

2.3 變頻驅動模塊選型設計

變頻器作為本系統的主要執行單元，其輸入輸出特性及功率因數等指標的好壞直接決定了系統的控制效果，同時本系統變頻器與PLC 主控器的通信采用Profibus 協議，因此所選變頻器需具備DP 通信端口。結合上述要求，本文選用西門子6SR450 型無諧波變頻器對風機電機轉速進行控制。6SR450 具備良好的輸入特性，當輸入容量不超過變壓器額定容量時，其電壓、電流諧波畸變度可滿足IEEE 標準要求，同時其功率因數較高，可避免由低功率因數所產生的諧波及諧振問題。6SR450 的輸出波形為標準的正弦波，無須額外設置濾波器，最大程度降低了有害諧波及轉矩脈動的產生，有效降低了電機損耗，提高了通風機的使用壽命。

3 軟件方案設計

通風機變頻控制系統主程序運行時，首先完成系統初始化及自檢流程，確定系統無異常、參數設置正確后，可通過系統選擇控制模式，當選用自動控制模式時，由上位機程序自動完成對主通風機及相應輔助設備和變頻器的啟動，并進入變頻調速控制模式，對風機運行狀態進行實時監測。當主通風機發生故障時，可自動切換至備用通風機保證系統正常運行，系統主程序流程如圖3 所示。

圖3 變頻控制系統主程序流程

4 系統應用效果

為驗證系統設計方案可行性，本文對通風機變頻控制系統進行了實際聯機運行測試，對系統的通信、變頻控制、監控畫面、故障報警及主輔風機切換等功能進行了驗證。系統運行后，通過上位機預設的變頻器參數成功實現了主風機的軟啟動及風量自適應變頻控制，上位機監控畫面的各項風機運行參數均顯示正常。在主風機故障模擬場景下，系統可靠發出故障報警，并可通過按鈕進行故障復位，當故障無法復位時，系統可在自動及手動控制模式下實現備用風機的切換，經測試系統各項功能及指標均符合預期設計要求。

5 結束語

本文針對傳統礦用通風機變頻控制系統的不足，采用變頻器控制技術實現了通風機的軟啟動及輸出風量自適應調控，同時系統具備風機運行狀態實時監測功能，采用工業以太網+Profibus 組合通信網絡架構，保證了系統數據交互可靠性，有效提高了系統的控制效果及風機運行節能性。