續(xù)文靜

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同家梁礦， 山西 大同 037001）

引言

對(duì)旋通風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)中重要的通風(fēng)設(shè)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(duì)煤礦的生產(chǎn)安全具有直接的影響。通風(fēng)機(jī)在煤礦的生產(chǎn)中需持續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)，消耗大量的電能。隨著節(jié)約型社會(huì)建設(shè)的要求，對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行高效、節(jié)能控制是重點(diǎn)研究方向[1]。同時(shí)通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，需依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的變化，進(jìn)行風(fēng)量、風(fēng)壓的不斷調(diào)節(jié)，從而滿(mǎn)足工作面通風(fēng)的需求。針對(duì)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)控制，采用變頻控制的方式進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的一體化自動(dòng)控制[2]，從而提高對(duì)旋通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)化控制水平及可靠性，為煤礦的生產(chǎn)安全提供有力保障。

1 對(duì)旋通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)旋通風(fēng)機(jī)采用兩級(jí)葉輪的形式進(jìn)行通風(fēng)作業(yè)，兩級(jí)葉輪之間相距較近，采用兩臺(tái)獨(dú)立的專(zhuān)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉輪朝著相反的方向旋轉(zhuǎn)[3]?？諝饨橘|(zhì)經(jīng)過(guò)一級(jí)葉輪的加速后，通過(guò)二級(jí)葉輪排出，增加氣流的能量，提高通風(fēng)機(jī)的效率及壓力。在通風(fēng)機(jī)需要進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)，可采用恒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)兩種方式[4]，恒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)指通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，通過(guò)改變通風(fēng)機(jī)葉輪的角度或風(fēng)門(mén)等進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié)[5]；變速調(diào)節(jié)指通過(guò)改變通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變通風(fēng)機(jī)的特性，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況的最佳效果，從而進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié)。在兩種調(diào)節(jié)方式中，采用變速調(diào)節(jié)的方式可以降低通風(fēng)機(jī)的能耗[6]，減小風(fēng)壓的作用，從而獲得較大的風(fēng)量，是進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)的最佳方式。

對(duì)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式包括改變電機(jī)的磁對(duì)數(shù)或轉(zhuǎn)差率及改變電源的頻率，變頻器進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)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(jiǎn)單、成本較低，是進(jìn)行通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的主要方式。

礦用的通風(fēng)機(jī)常用6/10 kV 高壓電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行變頻器內(nèi)置常采用H 橋級(jí)聯(lián)型高壓變頻器。在使用過(guò)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(jìn)行驅(qū)動(dòng)，變頻器的主回路結(jié)構(gòu)如圖2 所示，采用功率單元串聯(lián)進(jìn)行疊波升壓的方式。6 kV 高壓變頻器副邊繞組的數(shù)量為18 個(gè)，采用等邊三角形連接的方式對(duì)功率單元進(jìn)行三相供電[9]。輸入側(cè)采用隔離變壓器進(jìn)行二次線(xiàn)圈的移相，相當(dāng)于系統(tǒng)中36 脈沖的不可控整流輸入，從而消除了單個(gè)功率單元的諧波電流，從而抑制系統(tǒng)的諧波，實(shí)現(xiàn)無(wú)諧波的高頻控制，提供控制系統(tǒng)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)

2 對(duì)旋通風(fēng)機(jī)變頻協(xié)調(diào)控制

對(duì)旋通風(fēng)機(jī)在實(shí)際的煤礦生產(chǎn)中，依據(jù)工況的不同對(duì)兩級(jí)葉輪的運(yùn)行常有三種不同的工作狀態(tài)，即前級(jí)葉輪和后級(jí)葉輪同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)、前級(jí)葉輪靜止后級(jí)葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)和前級(jí)葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)后級(jí)葉輪靜止。在三種不同的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)中，需要對(duì)通風(fēng)機(jī)的兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行協(xié)同控制，從而實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)的同步啟動(dòng)、調(diào)速或停機(jī)[11]。采用變頻控制的方式對(duì)兩級(jí)葉輪進(jìn)行協(xié)同控制可以分為兩種方式，即采用PLC 作主控器控制或?qū)ψ冾l器進(jìn)行串行控制。

采用PLC 作為主控制器對(duì)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的葉輪進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，則系統(tǒng)采用Profibus-DP 總線(xiàn)的形式進(jìn)行控制，采用變頻器作為從站與主站之間的PLC 通信，系統(tǒng)的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接示意圖

對(duì)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(jìn)行主從控制，PLC 主控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)來(lái)自變頻器的控制指令，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的方式將其發(fā)送給2 號(hào)變頻器，從而2 號(hào)變頻器跟隨1 號(hào)變頻器進(jìn)行啟停動(dòng)作；另一種方式為1 號(hào)及2 號(hào)變頻器直接與主站相連接，同時(shí)接收PLC 的控制指令，不依靠主從關(guān)系實(shí)現(xiàn)同步控制[12]。兩種控制方式均可在組態(tài)組網(wǎng)之后直接調(diào)用相關(guān)的功能模塊，實(shí)現(xiàn)PLC 與變頻器之間的通信，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。

當(dāng)系統(tǒng)整體沒(méi)有PLC 進(jìn)行控制時(shí)，則將系統(tǒng)中兩組互為備用的變頻器作為主從控制機(jī)組，主從控制機(jī)組之間采用串行通信的方式，設(shè)定相應(yīng)的通信地址與對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)，當(dāng)主機(jī)接收到控制指令的同時(shí)，將該指令下發(fā)給從機(jī)，實(shí)現(xiàn)同步控制，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。這種控制方式可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)兩級(jí)葉輪的協(xié)調(diào)控制，且不需要增加PLC 控制器，配置簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的成本較低。

圖4 串行通信連接示意圖

3 對(duì)旋通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

依據(jù)變頻調(diào)速對(duì)旋通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的控制方案，對(duì)通風(fēng)機(jī)的整體控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，系統(tǒng)的整體配置需包括操作系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)。操作系統(tǒng)指對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行指令下發(fā)的交互系統(tǒng)，主要包括操作員站及兩套PLC，通過(guò)Profibus-DP 總線(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)的通信及信號(hào)傳輸。為保證操作系統(tǒng)的穩(wěn)定及安全，系統(tǒng)需采用冗余及容錯(cuò)的設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份及恢復(fù)。操作站配置相應(yīng)的PC 機(jī)及人機(jī)界面，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

監(jiān)控系統(tǒng)主要通過(guò)傳感系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)從站匯集后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與PLC 和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)端需與煤礦生產(chǎn)的調(diào)度網(wǎng)絡(luò)相連接，從而實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制。傳感器采集的數(shù)據(jù)主要包括礦井生產(chǎn)主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、軸承溫度、電流電壓及風(fēng)機(jī)的狀態(tài)等，傳感系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集及傳輸，并進(jìn)行圖形化的顯示，保證煤礦的生產(chǎn)安全。

調(diào)速系統(tǒng)依據(jù)煤礦生產(chǎn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行要求對(duì)整個(gè)礦井的風(fēng)量及風(fēng)壓進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)傳動(dòng)部分采用4 臺(tái)變頻器分兩組進(jìn)行主從控制，將每臺(tái)變頻器作為從站連接至總線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)變頻器參數(shù)的實(shí)時(shí)讀取。兩組變頻器中的從機(jī)不直接與PLC 相連，當(dāng)PLC 與主機(jī)完成通信之后，主機(jī)將接收到的指令經(jīng)變頻器間的通信接口傳遞至從機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)變頻器之間的協(xié)調(diào)控制，并依據(jù)系統(tǒng)的需求進(jìn)行頻率的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)旋通風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)通風(fēng)廣泛使用的設(shè)備，隨著自動(dòng)化控制的發(fā)展應(yīng)用，對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化、節(jié)能控制是主要的發(fā)展方向，可以提高煤礦整體的自動(dòng)化水平。依據(jù)變頻技術(shù)研究對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)，針對(duì)通風(fēng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)及協(xié)同系統(tǒng)給出了變頻器的控制方案，并對(duì)通風(fēng)機(jī)的整體控制系統(tǒng)升級(jí)配置進(jìn)行描述。可將其應(yīng)用到礦井通風(fēng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，提高通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性及自動(dòng)化水平，并具有良好的節(jié)能效果。