矿用通风机变频调速系统的设计应用

李晓君

（大同煤矿集团有限责任公司机电管理处， 山西 大同 037003）

引言

目前，变频调速技术在矿用通风机上应用较为广泛，据分析，传统的通风机控制技术，其通风效果普遍较低，在45%～65%之间，其能量损失较大。变频调速技术的应用，对提高通风机的通风效果具有明显效果[1]。

一些大型煤矿企业的煤矿通风机逐渐使用了变频调速技术，如神火煤矿公司将主通风机改造成变频调速技术后，每年可节约近50万元的电费支出[2]。因此，变频调速技术在通风机上的应用，不仅可以提高通风机的运行可靠性和安全性，同时还可大大节约企业成本支出，提高煤矿生产智能化水平。

1 通风机变频调速系统总体方案设计

结合工程实际，对通风机变频调速技术的总体方案进行设计，其系统结构如图1所示。该系统包括了硬件和软件两大部分，主要设计了两台PLC变频器，通过采用模拟量的控制方式实现通风机的变频调速控制和手自动一体化的控制切换与故障报警。

图1 通风机变频调速系统结构图

通风机变频调速技术的工作原理为：该系统中的瓦斯传感器R0、R1、R2分别采集井下掘进工作面、回风流巷及局部通风机处的瓦斯浓度，将采集的模拟信号通过A/D转化，在PLC变频器的作用下转化为系统可处理的数字信号，由此完成信号的采集。同时，系统将转化的数字信号与断电瓦斯浓度临界值进行分析判断，由此确定系统是否断电。而将掘进工作面上采集的信号与其对应的瓦斯浓度临界值进行对比，并由此确定井下瓦斯浓度模拟电压值和风量模拟电压值，通过两电压值的对比，将大的电压值输出至变频器，驱动通风机的运转，实现对通风机风量的变频调速。在此过程，可通过手动和自动方式实现变频调速，通过变频调速及PLC控制判断，可使系统针对不同情况发出瓦斯浓度报警、变频器故障报警及通风机故障报警等报警提示，由此提高了通风机的系统安全。

2 通风机变频调速系统主要设备选型设计

2.1 变频器选型设计

变频器类型包括交直交变频器、交交变频器两种，目前，市场应用较为广泛的是交直交变频器。在变频器选择时，可根据通风机的使用功率、控制系统控制数量和负载类型，以此确定变频器的型号和数量[3]。根据市场调研，选用了西门子的SiemensGl20变频器，该变频器具有较强的通讯能力和安全保护能力，如图2所示，在使用过程中更加灵活、可靠、节能，其具体功能及参数如下页表1所示。

图2 西门子SiemensGl20变频器实物图

表1 SiemensGl20变频器主要性能参数表

2.2 控制器选型设计

PLC是控制器核心基础，控制器设计时要求PLC具有功能齐全、可操行性强、维护性高、通用性强等特点，而PLC主要由存储器、微处理器、电源等组成，其结构组成如图3所示。PLC在选择时，主要依据如下原则：一是企业一般选用性能稳定、功能齐全的PLC；二是PLC的结构形式可根据控制系统使用环境的复杂性和可维修性来确定；三是PLC型号可根据控制系统需要的功能多少来确定选择高档机或低档机[4]。因此，根据市场调研，结合工程实际，选用了西门子S7-200系列的PLC类型。

图3 PLC基本结构组成图

2.3 瓦斯浓度传感器选型设计

井下发生煤矿事故的主要因素是瓦斯浓度过大，因此，瓦斯浓度是控制系统检测的重要对象。根据市场调研，选用了KG9701型低浓度沼气传感器，如图4所示。该传感器可主动连续的对井下瓦斯浓度进行信号采集，并将采集的瓦斯浓度模拟信号直接转换为数字信号，以供控制系统进行信号处理分析；同时，该传感器自带显示屏，可对检测的瓦斯浓度进行直观显示，并与设置的瓦斯浓度临界值进行判断，进而发出报警提示，具有功能齐全、一机多用、性能可靠、抗干扰能力强、操作方便等特点。目前，广泛应用于机电硐室、煤矿掘进面等领域。其主要性能指标如表2所示。

2.4 传感器安装位置设计

传感器位置的正确安装，直接影响着控制系统对井下通风情况的监测精度。因此，需对通风机变频调速控制系统中传感器安装位置进行正确安装。结合工程实际，在掘进工作面附近的5 m处安装RO瓦斯浓度传感器，在风流较稳定的回风巷处安装R1瓦斯浓度传感器。由于污流区的风压较大，将R2压力传感器安装于污流区的出口尾端[5]。其传感器具体安装如图5所示。

图4 KG9701型低浓度沼气传感器实物图

表2 KG9701型低浓度沼气传感器主要性能参数

图5 传感器安装位置示意图

3 通风机变频调速系统主要控制程序设计

变频调速系统的控制程序主要包括主控程序、模拟量检查程序、瓦斯浓度采用程序等组成，通过这些程序，可实现对通风机工作过程通过性能控制。

3.1 主控程序1设计

主控程序1作为通风机变频调速系统重要程序，可实现程序的判断、模拟量检查程序2调用及瓦斯浓度采集程序3调用的功能，实现对井下瓦斯浓度的检测、报警和风机通风量调节，其程序的流程如图6所示。

图6 主控程序1设计流程图

3.2 模拟量检查程序2设计

模拟量检查程序2主要用于实现对各输入信号的检查，通过设置的判断程序，实现对EM255元件连接情况及通电情况的判断，其程序的设计流程图如图7所示。

3.3 瓦斯浓度采集程序3设计

瓦斯浓度采集程序3是实现对井下瓦斯浓度采集检测的重要程序，通过该程序，可实现对井下掘进面瓦斯浓度的采集，并对瓦斯浓度进行平均值计算，使企业更好地掌握井下的瓦斯浓度值。其程序的设计流程如图8所示。

4 结论

本文所设计的变频调速系统具有较好地风机风量控制效果，能实现对井下瓦斯浓度的检查、计算、报警及控制等功能，其在通风机上的应用，大大增强了矿用通风机通风量的智能化监测精度，提高了通风机的通风效果和井下作业安全，可为企业节约电费支出。

图7 模拟量检查程序2设计流程图

图8 瓦斯浓度采集程序3设计流程图

[2] 李文涛.矿井主通风机变频调速监控系统研究与开发[D].青岛：青岛科技大学，2013.

[3] 张帅，夏承莉，张宽琦，等.基于PLC控制的矿用通风机监控系统的研究[J].煤矿机械，2012，33（7）：210-211.

[4] 闵磊.基于PLC和组态软件的局部通风机监控系统的研究[D].淮南：安徽理工大学，2012.

[5] 马群.基于PLC和变频器的对旋风机防喘振系统研究[D].淮南：安徽理工大学，2012.