基于PLC的煤矿主通风机变频电控系统改造设计

林丰应

（福建省华厦能源设计研究院有限公司，福建 福州 350004）

1 概述

煤矿主通风机及其配套电气控制设备的好坏，不仅关系着井下工作人员的生命安全和矿井生产安全，还关系着矿井的电能消耗和生产成本[1]。福建省天湖山能源实业有限公司含春煤矿+875m风井装备两台FBCDZ-№14型矿用防爆对旋轴流式主通风机（一用一备，单台风机电动机功率2×45kW，电压380V），风机电控系统采用传统的继电器、电抗器降压启动方式。自从设备投入运行以来，存在以下缺点和不足：

（1）在两台主风机轮换开机及每年一次的反风演习过程中，由于系统需要控制对旋式通风机的一级电动机、二级电动机、风门（风机电动蝶阀）等多个设备的开/停（关），二次回路涉及的按钮、行程开关、继电器/辅助触点较多，线路连接复杂，操作步骤繁琐，故障率较高，维护困难。

（2）采用电抗器降压启动对电网冲击较大，风机的风量调节困难，设备能耗大。

（3）主通风机工作状态主要依赖值班人员的定时巡查，各种运行数据靠人工记录分析，不利于安全管理，无法实现远程监测和控制。

随着自动化、智能化技术不断发展，可编程逻辑控制器PLC被广泛应用于工业各种环境下的自动控制系统中。本文针对上述问题，运用PLC和变频器等先进技术，提出了基于PLC的含春煤矿主通风机变频电控系统改造设计方案。

2 风机电控一次回路改造方案

矿井主通风机原有电控系统一次部分主要由隔离开关(QS)、断路器(QF1)、接触器(KM1～KM5)、自耦变压器(T)、热继电器(FR)等电器组成，采用降压启动方式。为了提高系统的安全可靠性，改造保留原有电控系统不变，另装上一套上海沃陆电气公司生产的VOL600T0450P型变频器（适配电机45kW）和PLC控制系统，在实现自动控制的同时又与原系统互为备用。一次接线如图1虚线框内所示。

图1 系统改造一次接线方案

3 PLC控制系统方案设计

3.1 系统控制方案

为提高主风机电控系统的安全可靠性，充分发挥变频器的调速和保护功能齐全的优越性能，本次改造二次控制回路方案采用PLC作为控制核心，实现风机风门开/关、风机开/停、反风及联锁控制等操作自动化，利用风速、风压（负压）、温度等传感器和变频器自带的电量采集等功能对主风机的运行状态、相关电量参数进行检测和调节，通过PLC的强大逻辑控制功能和远程通讯技术结合矿井的生产需要对主风机的工作状态进行监测、控制，通风机房可以无人值守，从而实现主风机的高效、安全、可靠、节能运行的目标。

3.2 系统硬件设计

本次改造系统硬件部分主要有 PLC主控制器、模拟量输入和输出扩展模块、供电电源等。其PLC控制回路接线图如图2所示。系统以无锡信捷电气公司XC2-42T-E高性能运动控制型PLC作为控制核心，配置XC-E4AD-H右扩展4通道模拟量输入模块（外接为风速、负压、温度传感器）和XCE4DA-H右扩展4通道模拟量输出模块（分别与4台变频器的GND和CCI端子进行连接控制其输出频率）构成控制系统。

图2 风机PLC控制回路接线图

1SBl～7SB2、1SA、1TA、2TA分别为不同开关量输入信号的操作按钮，3TA～6TA 为变频器工作状态的开关量反馈输入信号，AI0～AI3接系统检测传感器输入端子，中间继电器KMl～KM8分别驱动四台变频器FWD和REV端子控制对旋风机的两台电动机正、反转，KAl～KA4 分别控制两台风机的电动风门（蝶阀）开启和关闭，蜂鸣器的作用是故障时起到报警作用。PLC主控制器的电源为AC220V，系统其他的DC24V直流电源由开关电源提供。

3.3 PLC的I/0 分配表

根据系统功能的要求，在PLC外接电路设计中共有 24路输入和21路输出，其输入接口和输出接口分配详见表1。

3.4 PLC与变频器的外部连接

本次改造主控制器配备无锡信捷公司XC2-42T-E型PLC，配上XC-E4AD-H右扩展4通道模拟量输入模块（外接为风速、负压等传感器）作为风机转速调节量的输入信号,通过XC-E4DA-H右扩展模块输出模拟量以调节变频器的输出频率，从而实现对主通风机正转（抽风）、反转（反风）的开/停、调速（调节风量）、远程监测和自动控制等功能。现以1#变频器的二次接线为例，PLC主控制器与变频器的二次线路连接如图3所示。

图3 PLC与变频器二次接线图

表1 PLC输入/输出接口分配表

3.5 系统软件设计

系统软件控制程序采用XCPPro软件以梯形图方式进行编写，针对煤矿生产对主通风机的正转、逆转操作、自动控制需要和高效、安全、可靠、节能运行要求，设计高可靠、可操作和易维护性软件系统，其主要功能说明如下：

（1）系统提供先进且易于使用的图形状态显示、人机互动界面功能，有手动/自动控制工作模式、远程通讯以及故障报警等功能；提供系统实时监测、设备运行状态数据等信息共享、交流、查询与检索等功能，让使用者能随时查询、分析、存储各种运行数据，监测、控制设备运行状态，可实现自动控制（无人值守），制作、打印所需的报表。

（2）正常工作风机与备用风机的风门具备互锁功能，风机风门（电动蝶阀）只有在通风机主电动机处于断电停机状态下方可开启或关闭。

（3）通风机正常工作设置为一台工作一台备用，当通风机满足系统设定的启动逻辑条件时方可启动。风机具备正、反转互锁功能，当需要改变运转方向时，必须先将其停止运行后，方可改变工作过程。

（4）系统能根据生产需要设定风机的风量或压力值，并通过外部各传感器监测结果自动调节变频器输出频率以控制风机电动机的转速，实现风机高效节能运行（自动方式）, 手动方式时有防止风机频繁启动功能。

（5）当主通风机出现故障时，系统自动报警并发出指示信号。当风机轴承或定子温度超过设定的温度上限时，PLC将自动切断当前运行风机，自动切换接入另一台风机投入运行（手动方式需值班人员手动切换）。

4 结语

基于PLC的变频电控系统改造在含春煤矿+875m风井主通风机上实施取得非常好的应用效果，矿井另一个风井也在进行类似的改造。该项改造不仅一次接线简单，系统保护功能齐全，操作更加灵活、方便、自动化，风机启动平稳，能实时监测、远程监测和控制风机运行状态，还实现了每年省电约7.5万kWh（节约15%～20%的电能）。该改造不仅有效降低了矿井主通风机发生故障的概率，提高风机电控系统的安全、可靠性和自动化水平，而且实现矿井主通风机高效、安全、可靠、节能运行的目标，为小型煤矿主通风机电控系统改造提供参考和借鉴。