基于PLC控制的变频器切换柜设计及应用研究

王斌

（山西科技学院，山西 晋城 048000）

1 概 况

矿井主通风机是煤矿重要的通风设备，为了确保煤矿生产的安全稳定，矿用通风系统都是24 h不间断工作，这就要求矿用通风系统必须具备非常高的可靠性。古城煤矿通风系统采用双回路供电系统，变频器也采用一用一备的方式配置。但在实际运行中发现，古城煤矿目前的双变频器供电系统只能在在用设备与在用变频器、备用设备与备用变频器都完好的情况下才能进行切换，存在安全隐患。为了解决这一问题，对原有供电系统和控制系统进行改造，设计了一套利用通风机PLC控制系统进行控制的变频器切换系统，实现了变频器之间更灵活高效的切换。

2 系统总体方案研究

矿井通风系统利用各种通风设备，将地表面空气按既定路线源源不断地送到井下，同时将井下浑浊的空气排到地面，保证井下各类有害气体浓度符合相关标准的要求。古城煤矿主通风机房安装有2台主通风机，型号为AGF606-4.0-2.4。为保证主通风机的不间断运行，采用2台变频器分别驱动2台主通风机，1号变频器驱动1号主通风机，2号变频器驱动2号主通风机，通风机房设备布置如图1所示，现有供电系统如图2所示。

图1 通风机设备布置Fig.1 Fan equipment layout

图2 通风机房原有供电系统Fig.2 Original power supply system of fan room

以1号主通风机运行，2号主通风机备用为例，主通风运行方式为：I回路供电系统通过1号进线柜给1号主通风机运行柜供电，1号主通风机运行柜给1号变频器供电，1号变频器驱动1号主通风机运行；同理，II回路供电系统通过2号进线柜给2号主通风机运行柜供电，2号主通风机运行柜给2号变频器供电，2号变频器可以随时驱动2号主通风机运行，2号主通风机处于热备状态。同时配置一套PLC控制系统。

3 现有系统存在主要问题

主通风机是煤矿重要的大型设备，担负着全矿井下的供风任务，《煤矿安全规程》要求主通风机必须在10 min内完成切换。古城煤矿是高瓦斯矿井，主通风机一旦发生故障，很容易造成瓦斯超限，但在实际运行中发现，古城煤矿主通风机供电系统及控制系统存在以下问题。

（1）根据主通风机房原有供电系统图可知，I号供电回路、1号进线柜、1号通风机运行柜、1号变频器只能驱动1号通风机运行，II号同理，因此一旦出现类似1号变频器和2号主通风机同时故障的情况，主通风机就不能进行正常的切换，整个通风系统将无法运行。

（2）在双变频切换过程中，高、低压供电系统的停、送电不能进行远程集控，只能就地操作，出现需要现场多人操作的情况，增加了误操作的几率。在双变频切换过程中，变频器需要按照变频器低压系统先送电、然后再给变频器高压系统送电的顺序操作，整个过程都是就地操作，很容易因为现场人员操作不熟练、操作顺序不正确等原因导致切换失败。

4 供电系统及控制系统改进

4.1 变频器切换柜设计

根据古城煤矿变频器之间相互切换的需要，设计了变频器切换柜，解决类似1号变频器和2号主通风机同时故障导致无法切换的问题。设计的切换柜主要由1个断路器（QF1）和4个接触器（KM1、KM2、KM3、KM4）组成，能够在《煤矿安全规程》规定时间内完成变频间的切换，切换柜原理如图3所示。

图3 切换柜原理Fig.3 Switching cabinet principle

以1号主通风机运行为例，KM1、KM2闭合，QF1断开，1号变频器驱动1号主通风机运行，2号变频器及2号主通风机备用。如果1号变频器和2号主通风机同时故障，就需要用2号变频器驱动1号主通风机。此时只需要停止1号通风机的运行，断开KM1、KM4，同时闭合QF1，然后再闭合KM3、KM2，启动2号变频器，就可以实现2号变频器驱动1号主通风机。增加切换柜后的整个供电系统如图4所示。

图4 增加切换柜后的供电系统Fig.4 Increase the power supply system after switching cabinet

4.2 控制系统设计

主通风机变频器的切换过程涉及很多控制量，部分控制量的操作具有顺序性，为了克服就地操作可能导致的误操作，保证切换过程中高、低压送电操作的顺序性，设计了基于PLC控制系统的切换柜控制系统，同时为了方便设备的安装调试，配置了就地操作和集中控制2种操作模式。具体从硬件和软件2方面进行设计。

4.2.1 硬件设计

首先需要设计切换柜上的就地、集中2种控制方式的切换，切换柜整体控制线路如图5所示。通过切换柜的旋钮及控制线路，可以实现就地与集中控制的选择。切换柜功能旋钮布置如图6所示，切换柜SA0、SA1、SA5旋钮为就地操作和集中控制选择旋钮，SA2、SA4旋钮为风机正常运行与风机备用选择旋钮，SA3旋钮为变频器切换旋钮。

图5 切换柜控制线路Fig.5 Switching cabinet control circuit

图6 切换柜旋钮布置Fig.6 Switch cabinet knob layout

以1号主通风机运行为例，1号主通风机正常运行，2号主通风机备用，则SA2处于1号风机运行位置，SA4处于备用位置，QF1处于分闸状态，SA3处于0位；如果1号变频器和2号主通风机同时故障，就需要用2号变频器驱动1号主通风机，让停止的1号主通风机运行，则需要将QF1处于合闸状态，然后将SA3旋钮处于2号变频器带1号主通风机的位置即可。

集中控制的实现主要依靠PLC控制系统，因此PLC的选择至关重要。此次设计选用S7-400系列PLC，是具有中高档性能的PLC，采用模块化无风扇设计，适用于对可靠性要求高的大型复杂的控制系统，可提供多种级别的CPU模块和种类齐全的通用功能的模块，用户能够根据需要组合成不同的专用系统，模块化设计可以将不同模块进行灵活组合，扩展十分方便。为了提高控制系统的稳定性及兼容性，将原通风机机控制系统中的PLC控制模块调整为S7-400系列中的CPU412-2DP。

针对输入输出模块选择的问题，CPU412-2DP控制模块需要连接输入输出模块，但是S7-400系列里面输入/输出模块价格比较高，而能完成同样效果的S7-300输入/输出模块较为便宜，因此将S7-400模块作为主控制器，利用ET200模块设置控制分站，由ET200模块连接S7-300输入/输出模块，组成具有较高性价比的控制系统分站。ET200分 站 接 口 模 块 选 择IM153，具 体CPU412-2DP与IM153及S7-300输入/输出模块组态如图7所示。

图7 切换柜控制分站组态图Fig.7 Switching cabinet control substation configuration diagram

4.2.2 软件设计

此次设计利用模块化编程的思想进行控制系统的软件设计，将整个主通风机启动、切换、停止等操作过程通过PLC程序进行控制，具体程序如图8所示。根据控制系统所要实现的功能要求，将程序划分为多个子程序模块，每个子程序模块实现某一方面具体功能，并由主程序采用自上而下的方法在逻辑上进行调用。通过PLC主程序OB1来调用FB、FC程序块，就能很好保证各类辅助设备正常运行，实现主通风机的正常启动、切换，同时也能将设备的运行状态及时反馈回控制系统，方便对整个系统进行控制。

图8 PLC控制程序Fig.8 PLC control program

5 结 语

本文针对古城煤矿原有主通风机供电系统和控制系统在变频器切换方面的不足，研究设计了一套基于PLC控制的变频器切换柜，通过切换柜调整了主通风机的原有供电系统，同时把原有的主控制器调整为CPU412-2DP，把切换控制系统作为分站进行控制，相关控制变量统一反馈回控制系统。该切换系统经过实际切换测试，实现了变频器的快速切换，提高了古城煤矿主通风系统的安全可靠性。