基于PLC的煤矿主扇通风系统的研究与设计

顼 波

(山煤集团 煤业管理有限公司，山西 太原 030006 )

0 引言

煤矿主扇风机是煤矿通风系统中最重要的设备，在煤矿生产中主扇风机必须长期连续运行，因此保证主扇风机安全高效稳定运行对于煤矿正常生产具有重要意义。近几年PLC控制和变频调速技术在工业方面得到广泛应用，将PLC控制和变频调速技术应用于煤矿主扇通风系统，能够大幅度提高煤矿主扇通风系统的自动化程度，对于节约电能消耗、低碳环保也具有积极意义。

1 煤矿主扇通风系统组成及煤矿主扇通风系统布置情况

基于PLC控制和变频调速技术对某煤矿的主扇通风系统进行研究与设计，煤矿主扇通风系统主要组成有供配电、PLC控制、变频调速和在线监测等部分。

图1为FBCDZ24/2×200型对旋轴流式通风机结构图。该通风机包括集流器、1号电机、2号电机、扩散器、扩散塔和托车。在煤矿主扇风机布置中将该通风机简化，得到如图2所示的煤矿主扇通风系统布置俯视图。

1-集流器；2-1号电机；3-2号电机；4-扩散器；5-扩散塔；6-托车

如图2所示，煤矿主扇通风系统包括一台工作的FBCDZ24/2×200型对旋轴流式通风机，并备用能够在10 min内启动的同样一台通风机。由两台对旋式电机拖动一台对旋轴流式通风机，因此共布置有4台对旋式电机。针对两台对旋轴流式通风机分别布置两个独立风道，将风门布置于对旋轴流式通风机入口之前，以实现风量大小调节和转换运行风机的目的，将具有测量通风机负压和流量功能的传感器布置于风道内。此外，将4部风门绞车布置于风道中，以达到风流转换时开闭风门的目的。

图2 煤矿主扇通风系统布置俯视图

2 煤矿主扇通风系统供配电部分

煤矿主扇通风系统供配电部分的电源引自井上变电站两回路10 kV高压线路的两个不同母线，供电线路连接到煤矿主扇风机变电所的高压室中。高压母线采用单母线分段的方式，两路供电进线线路均设线路备自投保护装置，两路线路均互相作为备用，以保证供电连续安全。低压母线采用单母线分段的方式，分别配备两组进线柜和一组母线联络柜。除此之外，布置4组变频柜对连接2台主扇风机的4台对旋式电机进线控制，并且将工频旁路柜配置于各台变频柜，若变频柜出现问题不能正常工作时，能够通过转换到工频旁路柜进行控制操作，以确保主扇风机能够正常运行。另外布置一组低压配电柜，为主扇风机的4部风门绞车、照明设备以及控制设备的电源供电。

3 煤矿主扇通风系统PLC控制部分

3.1 PLC控制部分的硬件及模块

煤矿主扇通风系统PLC控制部分采用德国SIEMENS公司的S7-300型可编程序控制器(简称PLC)，通过MODBUS-RTU通讯协议并利用RS-485接口与变频器之间实现传输通讯功能，实时搜集变频器运行状态和两台对旋式电机运行数据等信息，主要包括供配电部分的开关状态、风门状态、主扇风机状态以及相关设备的温度、故障等情况，以实现对变频器的实时控制功能。图3为煤矿主扇通风系统PLC控制部分模块构成示意图。

图3 煤矿主扇通风系统PLC控制部分模块构成示意图

如图3所示，煤矿主扇通风系统PLC控制部分主要包括西门子的PS系列307型电源模块、315系列的2DP型高性能CPU模块、SM321型数字量输入模块、SM322型数字量输出模块、SM331型模拟量输入模块、SM332型模拟量输出模块、IM365型接口模块和CP341型通讯模块。

3.2 PLC控制部分的控制及功能

煤矿主扇通风系统PLC控制部分主要包括风量和风压的闭环控制及测控、对旋式电机的温度监控、供配电部分的电压和电流等相关电气参数的测控以及主扇通风系统故障检测和处理等，控制方式包括集中控制和机旁控制两种类型。

(1) 集中控制方式：就是通过中央控制室进行主扇风机启停和反风时风门的远程控制。在现场作业过程中，中央控制室作业人员能够利用工控主机的组态监控系统软件的开启或者停止按钮，对主扇风机的运行状态进行远程控制。此外，也可通过工控主机中预先编制的控制程序，达到主扇风机整个启停过程自动运行的目的。当主扇风机发生故障不能正常工作时，通过煤矿主扇通风系统PLC控制部分可以自动启动备用风机及其他相关设备。

(2) 机旁控制方式：就是通过变频调速设备对对旋式电机进行启停控制，以此来实现在煤矿主扇通风系统相关设备进行设备检修或者调试期间，避免主扇风机意外自启动情况的发生，还可以对其进行紧急停机控制。

4 煤矿主扇通风系统变频调速部分

4.1 变频调速部分变频器布置

根据前文所述，煤矿主扇通风系统配备一台工作和一台备用共两台主扇风机，并分别由两台电机拖动。因此，要求变频调速部分能使各台主扇风机的两台电机具有相同的转速，并且能够同时启停两台电机。本次设计采用每台电机均布置一台变频器进行相应控制，即各台主扇风机的两台电机各布置一台变频器的“一拖一”布置方式。图4为煤矿主扇通风系统变频调速部分组成示意图。

4.2 变频调速部分变频器选型

采用日本HITACHI公司的SJ系列700型高性能变频器，该变频器具有启动转矩高、维护便捷、运行高效、使用寿命长、适应性强特点，并具有跳闸抑制、可预先写入程序、抑制电压微浪涌、一键紧急切断等功能，此外还配备了噪声滤波器，达到了抑制谐波和减少噪声的目的。

4.3 变频调速部分变频器接线

煤矿主扇通风系统变频调速部分的4台变频器采用相同的电机控制方式和回路接线方式。图5为变频器的外部接线示意图。

图4 煤矿主扇通风系统变频调速部分组成示意图

图5 变频器的外部接线示意图

如图5所示，中间继电器ZJ的常开接点与变频器工作指示信号灯相连接，以反映变频器工作情况。通过继电器1KA的常开接点变换变频器的手/自动控制方式。继电器常开接点K1、K2、K3、K4与PLC控制部分的SM322型数字量输出模块相连接，通过变频器的变换实现通风系统的正/反风运行。通过按钮开关SB1实现变频器的故障复位功能。智能输出端子AL0和AL1与故障报警信号相连接，具有输出故障停止信号的功能。电位器RP1可以在变频器手动控制方式条件下，通过预先设定的电压信号使得电机具有稳定的运行频率。通过转速表n1实时监测电机转速参数情况。PLC控制部分通过OI端子和AMI端子来给定电机预先设定的运行频率和接收电机运行频率的反馈信号。PLC控制部分通过MODBUS-RTU通讯协议并利用RS-485接口与变频器之间实现传输通讯功能。

5 煤矿主扇通风系统在线监测部分

煤矿主扇通风系统在线监测部分的上位计算机采用联想商务高性能主机并配备打印机设备，上位组态软件采用Fame View系列组态软件系统，该软件系统通过工业以太网与煤矿主扇通风系统的各设备及调度监控系统相连接，实现实时远程监控的目的，在线监测部分主要监测参数有电机温度、气体流量、气体压力和风机振动等。

6 结语

随着PLC控制技术和变频调速技术的日臻完善成熟，其应用范围越来越广泛。煤矿主扇通风系统应用PLC控制和变频调速技术后，大幅度提高了煤矿主扇通风系统的自动化程度、运行的可靠性、平顺性和安全性，并对于节约电能消耗、低碳环保具有积极意义和实用价值。