基于PLC控制的變頻器切換柜設計及應用研究

王斌

（山西科技學院，山西 晉城 048000）

1 概 況

礦井主通風機是煤礦重要的通風設備，為了確保煤礦生產的安全穩定，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。古城煤礦通風系統采用雙回路供電系統，變頻器也采用一用一備的方式配置。但在實際運行中發現，古城煤礦目前的雙變頻器供電系統只能在在用設備與在用變頻器、備用設備與備用變頻器都完好的情況下才能進行切換，存在安全隱患。為了解決這一問題，對原有供電系統和控制系統進行改造，設計了一套利用通風機PLC控制系統進行控制的變頻器切換系統，實現了變頻器之間更靈活高效的切換。

2 系統總體方案研究

礦井通風系統利用各種通風設備，將地表面空氣按既定路線源源不斷地送到井下，同時將井下渾濁的空氣排到地面，保證井下各類有害氣體濃度符合相關標準的要求。古城煤礦主通風機房安裝有2臺主通風機，型號為AGF606-4.0-2.4。為保證主通風機的不間斷運行，采用2臺變頻器分別驅動2臺主通風機，1號變頻器驅動1號主通風機，2號變頻器驅動2號主通風機，通風機房設備布置如圖1所示，現有供電系統如圖2所示。

圖1 通風機設備布置Fig.1 Fan equipment layout

圖2 通風機房原有供電系統Fig.2 Original power supply system of fan room

以1號主通風機運行，2號主通風機備用為例，主通風運行方式為：I回路供電系統通過1號進線柜給1號主通風機運行柜供電，1號主通風機運行柜給1號變頻器供電，1號變頻器驅動1號主通風機運行；同理，II回路供電系統通過2號進線柜給2號主通風機運行柜供電，2號主通風機運行柜給2號變頻器供電，2號變頻器可以隨時驅動2號主通風機運行，2號主通風機處于熱備狀態。同時配置一套PLC控制系統。

3 現有系統存在主要問題

主通風機是煤礦重要的大型設備，擔負著全礦井下的供風任務，《煤礦安全規程》要求主通風機必須在10 min內完成切換。古城煤礦是高瓦斯礦井，主通風機一旦發生故障，很容易造成瓦斯超限，但在實際運行中發現，古城煤礦主通風機供電系統及控制系統存在以下問題。

（1）根據主通風機房原有供電系統圖可知，I號供電回路、1號進線柜、1號通風機運行柜、1號變頻器只能驅動1號通風機運行，II號同理，因此一旦出現類似1號變頻器和2號主通風機同時故障的情況，主通風機就不能進行正常的切換，整個通風系統將無法運行。

（2）在雙變頻切換過程中，高、低壓供電系統的停、送電不能進行遠程集控，只能就地操作，出現需要現場多人操作的情況，增加了誤操作的幾率。在雙變頻切換過程中，變頻器需要按照變頻器低壓系統先送電、然后再給變頻器高壓系統送電的順序操作，整個過程都是就地操作，很容易因為現場人員操作不熟練、操作順序不正確等原因導致切換失敗。

4 供電系統及控制系統改進

4.1 變頻器切換柜設計

根據古城煤礦變頻器之間相互切換的需要，設計了變頻器切換柜，解決類似1號變頻器和2號主通風機同時故障導致無法切換的問題。設計的切換柜主要由1個斷路器（QF1）和4個接觸器（KM1、KM2、KM3、KM4）組成，能夠在《煤礦安全規程》規定時間內完成變頻間的切換，切換柜原理如圖3所示。

圖3 切換柜原理Fig.3 Switching cabinet principle

以1號主通風機運行為例，KM1、KM2閉合，QF1斷開，1號變頻器驅動1號主通風機運行，2號變頻器及2號主通風機備用。如果1號變頻器和2號主通風機同時故障，就需要用2號變頻器驅動1號主通風機。此時只需要停止1號通風機的運行，斷開KM1、KM4，同時閉合QF1，然后再閉合KM3、KM2，啟動2號變頻器，就可以實現2號變頻器驅動1號主通風機。增加切換柜后的整個供電系統如圖4所示。

圖4 增加切換柜后的供電系統Fig.4 Increase the power supply system after switching cabinet

4.2 控制系統設計

主通風機變頻器的切換過程涉及很多控制量，部分控制量的操作具有順序性，為了克服就地操作可能導致的誤操作，保證切換過程中高、低壓送電操作的順序性，設計了基于PLC控制系統的切換柜控制系統，同時為了方便設備的安裝調試，配置了就地操作和集中控制2種操作模式。具體從硬件和軟件2方面進行設計。

4.2.1 硬件設計

首先需要設計切換柜上的就地、集中2種控制方式的切換，切換柜整體控制線路如圖5所示。通過切換柜的旋鈕及控制線路，可以實現就地與集中控制的選擇。切換柜功能旋鈕布置如圖6所示，切換柜SA0、SA1、SA5旋鈕為就地操作和集中控制選擇旋鈕，SA2、SA4旋鈕為風機正常運行與風機備用選擇旋鈕，SA3旋鈕為變頻器切換旋鈕。

圖5 切換柜控制線路Fig.5 Switching cabinet control circuit

圖6 切換柜旋鈕布置Fig.6 Switch cabinet knob layout

以1號主通風機運行為例，1號主通風機正常運行，2號主通風機備用，則SA2處于1號風機運行位置，SA4處于備用位置，QF1處于分閘狀態，SA3處于0位；如果1號變頻器和2號主通風機同時故障，就需要用2號變頻器驅動1號主通風機，讓停止的1號主通風機運行，則需要將QF1處于合閘狀態，然后將SA3旋鈕處于2號變頻器帶1號主通風機的位置即可。

集中控制的實現主要依靠PLC控制系統，因此PLC的選擇至關重要。此次設計選用S7-400系列PLC，是具有中高檔性能的PLC，采用模塊化無風扇設計，適用于對可靠性要求高的大型復雜的控制系統，可提供多種級別的CPU模塊和種類齊全的通用功能的模塊，用戶能夠根據需要組合成不同的專用系統，模塊化設計可以將不同模塊進行靈活組合，擴展十分方便。為了提高控制系統的穩定性及兼容性，將原通風機機控制系統中的PLC控制模塊調整為S7-400系列中的CPU412-2DP。

針對輸入輸出模塊選擇的問題，CPU412-2DP控制模塊需要連接輸入輸出模塊，但是S7-400系列里面輸入/輸出模塊價格比較高，而能完成同樣效果的S7-300輸入/輸出模塊較為便宜，因此將S7-400模塊作為主控制器，利用ET200模塊設置控制分站，由ET200模塊連接S7-300輸入/輸出模塊，組成具有較高性價比的控制系統分站。ET200分 站 接 口 模 塊 選 擇IM153，具 體CPU412-2DP與IM153及S7-300輸入/輸出模塊組態如圖7所示。

圖7 切換柜控制分站組態圖Fig.7 Switching cabinet control substation configuration diagram

4.2.2 軟件設計

此次設計利用模塊化編程的思想進行控制系統的軟件設計，將整個主通風機啟動、切換、停止等操作過程通過PLC程序進行控制，具體程序如圖8所示。根據控制系統所要實現的功能要求，將程序劃分為多個子程序模塊，每個子程序模塊實現某一方面具體功能，并由主程序采用自上而下的方法在邏輯上進行調用。通過PLC主程序OB1來調用FB、FC程序塊，就能很好保證各類輔助設備正常運行，實現主通風機的正常啟動、切換，同時也能將設備的運行狀態及時反饋回控制系統，方便對整個系統進行控制。

圖8 PLC控制程序Fig.8 PLC control program

5 結 語

本文針對古城煤礦原有主通風機供電系統和控制系統在變頻器切換方面的不足，研究設計了一套基于PLC控制的變頻器切換柜，通過切換柜調整了主通風機的原有供電系統，同時把原有的主控制器調整為CPU412-2DP，把切換控制系統作為分站進行控制，相關控制變量統一反饋回控制系統。該切換系統經過實際切換測試，實現了變頻器的快速切換，提高了古城煤礦主通風系統的安全可靠性。