变频技术在煤矿通风机控制系统中的设计应用

2015-03-20李文斌

机械管理开发 2015年6期

李文斌

（山西阳泉煤业集团有限公司开元矿，山西晋中 045400）

引言

煤矿生产中，安全是第一要务，而煤矿巷道通风系统则在很大程度上保障着煤矿生产安全。在巷道通风系统中，主通风机是关键设备，但由于功率较大且持续运转，耗电量极大，据统计：主通风机耗电量约为煤矿耗电总量的15%～30%，因此对煤矿巷道通风系统加以改造也是现阶段落实节能降耗理念的必然要求。当前，新的交流变频调速通风机电控系统具有极为灵活的调解方式，且具有较高的可靠性，节能效果极为明显，因而成为矿井通风机控制系统的首选设计方案。

1 应用变频技术应考虑的问题

1）性能安全可靠。利用通风机电器数值选择相应的曲线进行加速，以便于实现最佳的软启动效果。应充分考虑煤矿巷道所需风量以及风压情况，调节风机叶片位置，并根据通风机曲线特征表现来确定合理的转动速度以及工况点，从而确定变频器使用速率。根据相关规定，煤矿生产企业每年都要组织井下反风演练，确保通风机在煤矿发生灾害事故的状况下可及时采取反风操作，从而确保煤矿井下具有足够的反风量。应对变频器内部铜条、基板分别采取镀镍处理和三防涂层处理，强化变频器对于外部环境的适应性，从而在煤矿工作环境下更好地发挥功能，且不受外部因素影响。一般来说，变频设备在电压波动情况下依然能够正常工作，且在电网电压降低至一定程度时仍然可以继续工作，因变频设备适应性较强，一旦电网发生单相事故（高压电网接地以及迅速闪络等），变频装置依然可维持工作状态，而非立刻停止运行，通风机也由此而处于运行工作状态。

2）能源节约。煤矿通风机控制系统设备中，变频控制系统具有较高的性价比。由于谐波高次成分的存在，电动机因异步电子流所受损害也随之加大，电动机功率效率因素出现不同程度差异，因此选择变频器成为其中的关键。一般情况下以低谐波高次分量比产品为首选。在选择电动机时应以低能量损耗以及高效率的产品为主。尽量保护铁芯不受损害。变频设备应选择直供式设备，并且应与供电电压一致，且不需中间变压环节，有效控制电网污染问题，也有利于抑制高次谐波，从而使电压表现出强大兼容性特征，同时又不会干扰其他设施，且具有高功率因数［1］。

2 变频调速总体设计方案

总体设计方案如下：在系统构成中，从站通过FX2NPLC控制变频器、除尘系统以及管道分流系统，而风机则在变频器驱动下运转。系统主站，即QPLC经由CC－Link现场总线控制从站，同时经CC－Link对变频器、除尘系统以及管道分流系统展开荣誉控制，以免FX2NPLC从站发生故障而导致整个通风系统处于瘫痪状态。该系统设计方案具有较强的可视化管理特点，通过中央监控中心即可在组态技术支持下远程监控系统运转状况，见图1。

图1 风机控制系统总体构成示意

1）变频器联合FX2NPLC控制系统。在风机变频调速总体设计方案中，系统关键部分即为变频器＋FX2NPLC控制系统，风机受到FX2NPLC控制并在变频器作用下实现变频调速，进而达到节能目的。系统通过闭环控制方法对风机转速进行控制和调整。风机出风口区域配置压力传感器以及风速传感器，系统能够分析风速传感器以及压力传感器输出信号，对巷道通风情况作出准确判断。倘若风速与风压难以满足巷道通风要求，系统则会发布指令对风机转速进行调整，从而确保巷道通风要求，保障煤矿安全生产顺利进行，见图2。

图2 风机变频调速控制系统

煤矿通风机系统并未对风速作出过于严格的要求，因此风速合格范围数值较为宽泛，频繁调节风速并无必要。在本系统中，应通过三段速模式来调整、控制风机速度，如果巷道风速不符合煤矿安全生产需求，系统则通过PID算法对变频器运行频率加以自动、适当的调节，提高风速直至安全生产要求［2］。

2）管道分流。煤矿井作业过程中往往伴有大量有害气体，直接释放，排至大气中则会导致严重污染问题。按照设想，对于超标有害气体应通过敷设管道等方法对风机所排废气导送至特制管道，并采取燃烧处理。但就本次设计而言，我们仅选择以管道分流的方式处理风机排出气体，对于燃烧系统设计不作深入讨论。

3）除尘装置。煤矿生产具有较大特殊性，其中通风机中排出大量粉尘与气体混合，倘若不及时处理粉尘问题，则会造成严重的大气污染问题。所以在设计该系统时应着重于除尘环节，通过有害气体检测实验对风机排出气体进行评估和检验，对于尚未超标的有害气体可引入除尘装置。除尘装置设计如下图3：以湿式振弦除尘器为主，取颗粒传感器设置装置入口区域，检测气体中混杂的粉尘含量，并计算除尘装置喷水量，对喷水量予以灵活调节，以有效除尘，见图3。

图3 除尘装置设计图

4）从站人机交流。本系统中FX2NPLC从站配置均有触摸屏，为人机交流创造了便捷的沟通桥梁。操作者可利用人机界面启动通风系统，或予以中止，并且能够对变频器电流、输出电压、巷道空气状况、输出电压以及电机转速等数据予以实时监测［3］。

5）组态监控技术。所谓组态监控，即利用组态软件操作QPLC主站内部资源，对现场风机运行状况进行远程实时监控，同时还可实现变频器参数的远程更改与设置。除此之外，为系统模型提供一种模拟实际的信号给定是设计中组态的另一项重要功能。

6）主站QPLC。在整个控制系统中，主站QPLC是核心所在，整体功能包括如下两点：第一，从站FX2NPLC冗余。一旦从站控制系统中FX2NPLC受到意外因素干扰影响而停止工作，那么主站QOLC可利用CC－Link现场总线远程控制通风机系统，以免煤矿井下通风中断。第二，采集信息。在CC－Link的支持下，主站QPLC能够实时读取变频器频率、输出电压以及电流等指标参数，并显示在组态界面上。所得数据也可经由CCLink发送至从站FX2NPLC，操作者通过触摸屏可接收到显示的数据信息。

7）报警电路。本系统中报警方式分为两种：1）报警指示灯会在变频器工作状态异常的情况下处于持续点亮状态，并发出报警声音，而通风机在此种情况下已停止运转，巷道处于危险状态。2）报警电路会在从站不工作的状态下发出声光报警，QPLC主站控制报警电路，而报警信号则以声光闪烁报警为主［4］。