陳曉飛

（山西古交西山義城煤業(yè)，太原 030203）

0 引言

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，礦井通風(fēng)機(jī)是保障煤炭生產(chǎn)安全的重要設(shè)備，主要負(fù)責(zé)向井下工作面輸送新鮮空氣，抑制粉塵和排出有害氣體[1-2]。在井下設(shè)備散熱、工人呼吸與大地地?zé)嶙饔孟?，礦井溫度與濕度會(huì)維持在一個(gè)很高的水平，風(fēng)機(jī)輸送的新鮮空氣在沖淡有害氣體的同時(shí)也會(huì)降低溫度與濕度，保障工作人員與設(shè)備的工作環(huán)境安全[3-4]。因此，大多數(shù)煤礦通風(fēng)機(jī)都是24 h連續(xù)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中屬于負(fù)荷用電量很大的機(jī)電設(shè)備，隨著變頻器的普及以及成本的降低，使得這一問(wèn)題有了新的解決方案。研究設(shè)計(jì)一種風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，降低用電功耗有著很重要的意義。

1 控制系統(tǒng)總體研究設(shè)計(jì)

礦井風(fēng)機(jī)按照結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要可以分為離心式通風(fēng)機(jī)與軸流式通風(fēng)機(jī)兩類(lèi)。離心式通風(fēng)機(jī)主要由機(jī)殼、機(jī)軸、葉輪與進(jìn)出氣口等組成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與通風(fēng)機(jī)機(jī)軸相連，帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力將空氣甩出集中在機(jī)殼內(nèi)，最終從排氣口處排出，進(jìn)氣口由于負(fù)壓影響不斷吸入新鮮空氣，從而形成循環(huán)流動(dòng)的氣流。軸流式風(fēng)機(jī)主要由工作輪、機(jī)殼、集風(fēng)器、整流器與擴(kuò)散器等組成[5-6]。在實(shí)際工程中，離心式風(fēng)機(jī)的應(yīng)用效果要比軸流式風(fēng)機(jī)好，應(yīng)用范圍也廣，所以本文主要對(duì)離心式風(fēng)機(jī)的變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、設(shè)備操作臺(tái)、核心控制器、觸摸屏、變頻器與傳感器模塊等組成。系統(tǒng)以PLC控制器為核心，主要控制變頻器的啟動(dòng)和停止，監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的工作參數(shù)，其中PLC與變頻器通過(guò)RS485的串口通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)在正常工作時(shí)，由一臺(tái)風(fēng)機(jī)為井下通風(fēng)，另一臺(tái)風(fēng)機(jī)作為備用機(jī)，防止機(jī)器故障給井下生產(chǎn)帶來(lái)的不便，PLC控制器負(fù)責(zé)整個(gè)風(fēng)機(jī)組的切換。工作人員可以通過(guò)觸摸屏與上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，其中上位機(jī)與操作臺(tái)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行指令數(shù)據(jù)的通信。

圖1 系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2 系統(tǒng)控制方案

本文采用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)的輸入頻率來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速的基本原理為：

式中：n為交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為電機(jī)定子頻率，p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，則轉(zhuǎn)差率為：

式中：n為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，ω為電機(jī)固有頻率，ω1為角頻率。

由式（1）～（3）可知，當(dāng)調(diào)整電機(jī)的輸入頻率f，則交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生改變。即降低電機(jī)電源頻率，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之降低，最終交流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速也會(huì)降低；反之，升高電源頻率將增大電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

變頻器應(yīng)用于風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)后，可以使電機(jī)在一個(gè)合理的平均速度下運(yùn)行，減少功率損耗。由流體力學(xué)可知，風(fēng)機(jī)屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)機(jī)負(fù)載的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此在滿(mǎn)足井下通風(fēng)要求的前提下，只需要對(duì)平均轉(zhuǎn)速進(jìn)行較小地降低，就可以大幅度減小風(fēng)機(jī)功耗。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，采用變頻技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，可以節(jié)約20%～60%的能耗。

煤礦通風(fēng)機(jī)的控制數(shù)學(xué)模型參數(shù)具有時(shí)變性與滯后性，本文采用PID控制器的方式對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID控制即比例、積分和微分調(diào)節(jié)，在工程控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可根據(jù)誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，是一種經(jīng)典的線性控制器。本系統(tǒng)的PID控制原理圖如圖2所示。

圖2 PID控制原理圖

圖中r(t)為給定值，y(t)為輸出值，e(t)為控制偏差，則控制規(guī)律為：

式中：Kp、Kt、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。通過(guò)對(duì)這3個(gè)參數(shù)的不斷修訂，可實(shí)現(xiàn)控制效果的優(yōu)化。

2 控制系統(tǒng)硬件選型

2.1 PLC控制器與變頻器選型

本文選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-300PLC作為系統(tǒng)核心控制器。S7-300PLC由電源模塊、CPU模塊、接口模塊、輸入輸出模塊與通訊模塊等組成。電源模塊將120～240 V交流電壓轉(zhuǎn)換為24 V直流電，為CPU模塊等其他負(fù)載進(jìn)行供電；CPU模塊用于執(zhí)行用戶(hù)編寫(xiě)的程序，為總線提高5 V電壓；接口模塊用于連接多機(jī)配置的S7-300機(jī)型；通訊模塊用于網(wǎng)絡(luò)通信和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的通信。S7-300具有強(qiáng)大的指令處理能力，有在很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行告訴的信息處理能力，具有方便的人機(jī)界面（HMI），方便用戶(hù)進(jìn)行編程和維護(hù)[7-8]。

變頻器選用西門(mén)子公司專(zhuān)為風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的MM430型變頻器。MM430變頻器具有4個(gè)模擬量輸入接口，6個(gè)數(shù)字量輸入接口，多個(gè)模擬量輸出接口；具有集成的RS485通信接口和Profibus-DP通信模塊；具有一定的過(guò)載能力，當(dāng)達(dá)到額定電流140%時(shí)，系統(tǒng)可以承受3 s不被損壞；具有過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和欠電壓保護(hù)等功能。

2.2 傳感器選型與安裝

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)煤礦生產(chǎn)安全要求與風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性，主要通過(guò)風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)溫度、振動(dòng)幅度等信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在溫度測(cè)量方面，考慮風(fēng)機(jī)溫度范圍比較寬，選用Pt100型熱電阻溫度傳感器，測(cè)量風(fēng)機(jī)軸承與電機(jī)軸承溫度，可測(cè)范圍為-200～+200℃。在風(fēng)壓參數(shù)測(cè)量方面，選用Y400-402高壓型壓力傳感器測(cè)量風(fēng)機(jī)出口處的風(fēng)壓值，傳感器安裝于風(fēng)機(jī)出口處的管道上壁處。在振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)方面，直觀的方式就是測(cè)量風(fēng)機(jī)軸產(chǎn)生的位移，選用BCD-21C/S傳感器，具有隔振防爆功能，其中BCD-C采用垂直方向安裝，BCD-S采用水平方向安裝。在對(duì)風(fēng)速測(cè)量時(shí)，選用GFW15型高速風(fēng)流傳感器，其測(cè)量原理為通過(guò)風(fēng)速流過(guò)產(chǎn)生的熱量來(lái)識(shí)別風(fēng)速大小。

3 系統(tǒng)軟件程序

通風(fēng)機(jī)變頻器的啟動(dòng)與停止主要通過(guò)主程序來(lái)控制，在執(zhí)行主程序的過(guò)程中可調(diào)用其他子程序的功能，系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)初始化自檢完成后，由PLC對(duì)實(shí)際風(fēng)量與設(shè)定值的上下限進(jìn)行比較，當(dāng)風(fēng)量低于下限時(shí)，增大變頻器的輸出頻率；反之，當(dāng)風(fēng)量高于上限時(shí)，降低變頻器的輸出頻率。本文采用STEP7軟件對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行編寫(xiě)，具有符號(hào)編輯器、硬件組態(tài)與硬件診斷等功能，可使用LAD、FBD與STL 3種編程語(yǔ)言進(jìn)行編譯，并實(shí)現(xiàn)三者之間的轉(zhuǎn)換。在組態(tài)軟件上，采用西門(mén)子公司的WinCC對(duì)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視，集成了SCADA、組態(tài)和OPC等技術(shù)，人機(jī)界面友好，減少工作人員對(duì)軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)間，方便設(shè)備的維護(hù)更新。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于S7-300PLC的通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，闡述與證明了變頻系統(tǒng)的節(jié)能效果，并對(duì)PID控制原理進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與變頻控制的功能，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的節(jié)能運(yùn)行，預(yù)期較原先系統(tǒng)至少節(jié)能20%，提高了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性，保障了井下生產(chǎn)工作的安全進(jìn)行。