基于PLC实现对矿井风机机组的变频控制

2020-03-14王巧玲

机械管理开发 2020年1期

王巧玲

（山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，山西昔阳 045300）

引言

通风机作为通风系统的关键设备，目前工作面通风机的启动方式为最直接启动，且通风系统在实际实际过程中未能根据现场的瓦斯、粉尘等有害气体浓度对风机的通风量进行实时控制。鉴于上述现状，导致通风机的启动电流较大，从而对电网及相关设备造成冲击；通风机的恒频运转对电能造成浪费[1-2]。变频控制技术是解决上述问题的关键。本文将PLC设计应用于对矿井风机机组的变频控制，从而达到延长设备使用寿命及节能的目的。

1 变频控制系统的设计原则

1）经验表明，综采工作面通风机机组每年的耗电量占据煤矿总耗电量的15%～20%。因此，在实现通风机基本作业任务的同时，最大限度地实现其节能效果；

2）要求变频控制系统内的高低压配电分系统、变频拖动分系统、通风控制分系统等有机结合，相互配合；

3）变频控制系统能够对通风机及其附属设备进行集中控制；能够实现对通风机常用与备用之间的切换、实现对通风机的反风操作，能够对通风机及其附属设备的实时工作状态进行监测、记录、显示并出现故障时发出报警[3]。

2 变频控制系统的总体结构设计

为进一步提升变频控制系统的安全性和可靠性，本控制系统采用冗余设计的原则。在综合考虑上述设计原则的基础上，设计如图1所示的变频控制系统。

如图1所示，变频控制系统主要包括有高低压配电、控制、传动以及在线监测等功能，且每个分系统均采用的冗余设计，即当任何一分系统由于出现故障或者处于检修时通风机仍可继续工作。

图1 变频控制系统总体结构

3 各分系统的设计

3.1 高低压配电分系统的设计

变频控制系统高压配电分系统采用6 kV双回路电源进线，单母线分段接线方式；低压配电分系统采用双回路电源进行方式，且系统的关键部分对其采用不间断UPS供电，预防市电供电发生故障时，系统停机现象[4]。

基于冗余设计，变频控制由传统的“一拖一”控制模式改进为当前的“一拖二”控制模式，提升了系统的可靠性。即，综采工作面的两台变频器可实现对电机的四种拖动方式，与其对应的切换柜系统如下页图2所示。

3.2 传动分系统的设计

变频器为实现通风机机组变频控制的核心，其主要功能是通过改变频率实现对通风机电机转速的控制，从而达到对通风机风量调节的目的。变频调速原理如公式（1）所示：

式中：n为提升机电机的转速；f为电机频率；s为转差率；p为提升机电机的极数。根据控制需求，要求变频器能够与PLC和PROFIBUS进行通信，故变频器具有DP通讯接口。经调研所选择变频系统为无谐波变频系统，该变频电机的关键参数如表1所示。

图2 切换柜系统图

表1 变频电动机主要技术参数一览表

3.3 控制分系统的设计

3.3.1 PLC的选型

根据通风机机组的实际控制需求及应用场合，选用的PLC控制需具有高可靠性、高冗余性和可扩展等功能。针对综采工作面生产过程中为确保综采工作面的瓦斯浓度、煤尘浓度等符合相关标准要求，必须要求通风机时刻运行[5]。鉴于此，对PLC控制系统的冗余特性要求更高。PLC较好的冗余特性可以时刻保证通风机的正常运行。

根据系统的控制需求，结合经济性的原则选用PLC的型号为S7-400H系统，且该PLC系统的CPU型号为412-3H；冗余系统的型号为AS412-3-2H。

3.3.2 PLC硬件的设计

目前，寺家庄矿共有2套通风机机组，故需对应设计2套PLC控制系统及PLC控制柜。根据控制需求，将冗余系统安装于1号PLC控制系统中，同时1号PLC控制柜由UPS供电，其余两个控制柜由220 V电源供电。本文着重对1号PLC控制柜的硬件进行选型设计。

根据1号控制柜所控制通风机的及其辅助设备的生产需求，1号控制柜中PLC的相关模块及数量统计如表2所示。

1号PLC控制柜的硬件配置如图3所示。

3.3.3 PLC软件的设计

结合通风机机组变频控制的实际控制需求，旨在确保通风机机组可在实现其正常通风功能的基础上，达到节能、延长设备使用寿命的功能，其PLC采用的程序采用模块化设计的原则。基于PLC控制程序对变频器进行控制并切换，从而达到对通风机机组的控制。故，PLC控制程序主要包括有组织块、功能块、数据块等内容。基于上述原则，设计如图4所示的PLC控制流程图。