趙曉晨

（唐山開灤趙各莊礦業(yè)有限公司機(jī)電科，河北 唐山 063101）

通風(fēng)機(jī)在煤礦生產(chǎn)中承擔(dān)著礦井通風(fēng)的任務(wù)，是保障礦井安全的唯一通風(fēng)設(shè)備，但是其對(duì)電能的需求非常大。據(jù)統(tǒng)計(jì)風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載的耗電量占到了工業(yè)耗電量的1/2，但是其效率僅為40%-50%。運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，耗電量低，具有很大的節(jié)能潛力。傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)采用鼠籠式異步電機(jī)拖動(dòng)，采用調(diào)節(jié)擋風(fēng)板控制其風(fēng)量的大小。這種控制方式雖然簡(jiǎn)單，但是經(jīng)濟(jì)性不佳。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，其運(yùn)行可靠性不斷增加，變頻調(diào)速已成為工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的調(diào)速手段，在節(jié)約能源和提高經(jīng)濟(jì)效益方面具有顯著的作用。本文利用PLC和變頻器對(duì)原有煤礦用通風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，對(duì)提高通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，防止煤礦安全事故的發(fā)生具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)利用觸摸屏、PLC、變頻器、主通風(fēng)機(jī)以及傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中通風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口處安裝了壓力傳感器，根據(jù)檢測(cè)到的傳感器信號(hào)來判斷通風(fēng)情況，并且由PLC實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，保證煤礦安全生產(chǎn)。其調(diào)控過程如圖1所示。

通風(fēng)系統(tǒng)可以采取操作臺(tái)控制、上位機(jī)控制和就地控制三種不同的控制方式。啟動(dòng)時(shí)首先啟動(dòng)蝶閥和其輔助設(shè)備，當(dāng)?shù)y開啟到位且其輔助設(shè)備啟動(dòng)后啟動(dòng)變頻器。風(fēng)速的大小通過變頻器來調(diào)節(jié)，無(wú)需蝶閥控制。

三種控制方式中操作臺(tái)控制和就地控制主要用于系統(tǒng)的調(diào)試階段，通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)采用的是上位機(jī)控制方式。上位機(jī)控制方式有手動(dòng)和自動(dòng)兩種不同的模式，變頻器也可以分為單動(dòng)和聯(lián)動(dòng)。煤礦正常運(yùn)行時(shí)選擇自動(dòng)模式，這時(shí)只要點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，整個(gè)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)有序的運(yùn)行，并且根據(jù)風(fēng)量的大小，按照變頻器給定的頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)。

2 控制系統(tǒng)的功能

未改造的煤礦用通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中主通風(fēng)機(jī)常采用旋式軸流通風(fēng)機(jī)恒速運(yùn)行，其運(yùn)行過程中主通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)裕量大，通過人工調(diào)節(jié)擋板來控制風(fēng)量，造成了電能的嚴(yán)重浪費(fèi)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)風(fēng)流短路，嚴(yán)重影響礦井的安全。另外主通風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)過程中采取直接啟動(dòng)的方式，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、啟動(dòng)電流大，對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣性有很大影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤щ妱?dòng)機(jī)。

煤礦主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造過程中中用PLC來控制變頻器，采用變頻調(diào)速的方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和風(fēng)量的調(diào)節(jié)，這樣不僅能夠達(dá)到節(jié)電的效果，還能夠提高整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。為了保證煤礦生產(chǎn)的安全性，主通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)、上位機(jī)和就地三種不同的控制模式；

（2）驅(qū)動(dòng)主扇的電機(jī)要能夠保證通風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng)，并且使其處于變頻模式。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，要能夠通過手動(dòng)或者自動(dòng)切換到工頻模式。

（3）當(dāng)煤礦內(nèi)發(fā)生火災(zāi)等突變情況時(shí)，PLC能夠迅速向變頻器發(fā)送質(zhì)量，驅(qū)動(dòng)主通風(fēng)機(jī)主扇電機(jī)反轉(zhuǎn)，使風(fēng)流反向流動(dòng)。

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)電氣參數(shù)的檢測(cè)，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)及其輔助設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

3 PLC控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上PLC的種類非常多，但其核心結(jié)構(gòu)基本相同，都是由中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入和輸出單元、I/O、外部設(shè)備和電源等幾部分組成。

（1）硬件設(shè)計(jì)

這次設(shè)計(jì)中PLC選擇了經(jīng)濟(jì)適用的S7-300系統(tǒng)，通過PLC的控制實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的高低壓供電、風(fēng)門位置以及通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。S7-300PLC通過控制低壓變頻器來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的變頻運(yùn)行，PLC和變頻器通過RS-485串行總線以MODBUS-RTU協(xié)議方式進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)的采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的實(shí)時(shí)控制。

在進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)PLC改造時(shí)，首先要根據(jù)其控制系統(tǒng)的要求，配置相應(yīng)的硬件，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)I/O點(diǎn)數(shù)和信號(hào)性質(zhì)的需求，最終確定其硬件型號(hào)。在S7-300PLC系統(tǒng)中，其模塊總數(shù)超過了8塊，所以除了中央機(jī)架外還需要配置相應(yīng)的擴(kuò)展機(jī)架和接口模塊M。

圖1 PLC控制的變頻器示意圖

在該P(yáng)LC系統(tǒng)中配置了3塊32點(diǎn)數(shù)字量輸入模塊、3塊16點(diǎn)的數(shù)字輸出模塊、1塊8路模擬量輸入模塊和1塊4路模擬量輸出模塊。煤礦通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)的要求是72點(diǎn)數(shù)字輸入量、41點(diǎn)數(shù)字輸出量、4路模擬輸入量和4路模擬輸出量，故S7-300PLC完全能夠滿足使用要求。

（2）軟件設(shè)計(jì)

通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的PLC控制程序采用STEP7軟件來編寫。程序的任務(wù)是保證風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，采用變頻器控制電機(jī)進(jìn)行切換以及輔助設(shè)備按照順序進(jìn)行啟停和切換。當(dāng)變頻器產(chǎn)生故障時(shí)，切換柜切換到備用狀態(tài)，但是通風(fēng)機(jī)只有在切換柜的床用狀態(tài)下才能進(jìn)行自動(dòng)切換。程序的編寫過程中采用了模塊化的設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊獨(dú)自完成其特定的任務(wù)，用組織塊主程序調(diào)用邏輯塊程序的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。邏輯塊程序包括了高壓柜控制程序、低壓柜控制程序、1級(jí)風(fēng)速運(yùn)行程序、變頻器控制程序以及變壓器柜控制程序等。

結(jié)論

變頻調(diào)速技術(shù)可以使通風(fēng)機(jī)隨著礦井對(duì)需風(fēng)量的多少而變化，使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最佳工況，變頻調(diào)速系統(tǒng)一般采用PLC控制。通過PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦主通風(fēng)控制系統(tǒng)的改造，大大降低了電機(jī)的電壓和電流，電機(jī)的輸入功率明顯減少，提高了風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)效率，具有操作方便，控制精度高，系統(tǒng)工作平穩(wěn)等一系列優(yōu)點(diǎn)。這次改造中采用了西門子S7-300PLC，以STEP7軟件對(duì)煤礦主通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

[1]郝根平.變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù)，2000（06）.

[2]付華，單亞鋒，尹麗娜.自調(diào)整模糊控制在礦井局部通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用[J].