基于PLC控制的變頻調速在礦井通風機中的應用

李 寧

（天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津300222）

耿村煤礦隸屬義煤集團，井田面積83km2，地質儲量10億噸，年產量已超過400萬噸。本礦井屬于高瓦斯礦井，瓦斯涌出量為16.88m3/t，瓦斯已成為威脅本礦井安全生產的主要因素。做好通風工作是處理瓦斯的主要措施，然而井下空氣中的瓦斯濃度是一個變化的量，受到采掘工作等因素的影響，濃度變化很大。因此力求使井下局部通風機電機隨井下巷道內的瓦斯濃度實時調整，以此來控制井下巷道內的風量，從而達到控制瓦斯濃度的目的。PLC是一種新型的控制裝置，并且已經相當廣泛地應用于各個行業的電氣控制中，其不僅能對復雜邏輯進行控制，還可以在各個控制中實現順序與定時功能[1-2]。本文將PLC和變頻器結合起來進行設計，以瓦斯濃度為控制參數來調節風機電機，實現風量的自動化控制，這樣不僅實現了瓦斯的自動排放，還能節能。

1 PLC控制技術在礦井通風機中的應用

在以PLC為基礎的控制系統中，電路的開關動作基本上由半導體電路實現，在PLC設計時考慮其各種工作環境，保證PLC能在各種條件下可靠地工作。PLC已經模塊化與系列化，產品用戶在使用時可以根據自身的要求靈活設置，硬件裝置不再需要制作，使用時只需要設計程序即可滿足不同要求。PLC使用梯形圖編程語言，與傳統的接觸器控制電路相似，容易掌握。其輸入輸出功能比較完善，不僅可以邏輯化控制大量開關，還可以對各個電路進行運算和控制。在輸入輸出方面，其可以很方便地與各種類型的接口連接。

變頻調速技術可以根據要求來改變電源頻率，以達到改變電機轉速的目的。通風機是煤礦設備的必要設備，且耗電量在所有的礦用電氣設備中最大，因此在礦用通風機上推廣使用變頻器對節能有重大意義。將其運用到通風機上可以實現風機無極調速，根據生產要求實時調整風量，減少電能損耗。變頻器還可以在風機啟動時限制電流，減少峰值功率損耗，避免在電機啟停時對設備產生沖擊，減少設備的損耗。變頻器有很多的保護功能，對保證風機的安全運行意義明顯。PLC與變頻器結合使用，可以實現對井下通風系統的監控，減少通風系統檢修的工作量。

2 控制系統基本原理

系統的結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

PLC為此系統的主控單元，局部通風機的電機為此系統的被控單元，電機的運行為變頻運行，控制參數為瓦斯的濃度。采用的PLC的型號為FX2N-32M，以FX2N-4AD為A/D模塊，采用的變頻器的型號為FR-A540。

當瓦斯濃度變化時，瓦斯傳感器可以將信號通過A/D傳遞給系統，并且通過PLC進行分析運算，把控制指令輸送給變頻器，這樣就能實現對電機轉速的控制，從而實現控制的最優化。此系統可以在工頻和變頻之間切換，在電機的變頻器發生故障或者需要電機長時間工頻運行時，系統可以自動將其轉換至工頻。此系統的調節方式一共有手動與自動兩種調節方式，手動方式下可以人為地控制電機的啟停等功能，從而提高電機的可控制性。

3 控制系統硬件電路

此PLC系統的硬件組成電路如圖2所示，I/O地址見表1。

圖2 控制系統硬件電路

表1 I/O地址表

此系統可以使用手動方式來調節變頻器的頻率，也可通過變頻器自帶的功能來進行設置。

4 PLC程序設計

本次設計的PLC程序流程見圖3。

根據相關規程規定，瓦斯濃度超過1.5%時需要排放瓦斯，為了節能，在瓦斯濃度小于15%時，通風機提供的風量應該隨著瓦斯濃度的變化而變化。本次設計的系統可以滿足此要求，調頻控制程序見圖4。

此外，由于通風不僅要滿足排放瓦斯的要求，還有除塵等要求，所以根據需要設置電機的頻率最小為25Hz。

圖3 PLC程序流程圖

圖4 調頻控制程序

此裝置使用變頻器上RH、RL和RM組合來控制通斷，當瓦斯濃度變化時，風機的轉速可以轉換進行調節。此程序設計了5個級別的電機轉速，其具體設計值見表2。

表2 電機轉速設計表

5 結語

根據耿村煤礦井下局部通風的需要，設計了PLC控制的變頻調速的局部通風機，此裝置不僅可以及時實現瓦斯排放，保證礦井通風的安全性，并且還可以實現用電的經濟性。此設計方法對類似條件下的變頻調速有很大的借鑒意義，經濟和社會意義巨大。

［1］陳延奎.淺談PLC控制系統的設計方法［J］.中國科技信息，2009（20）：116-118.

［2］胡濤，蘇建良，石劍鋒.PLC技術與應用及其發展分析［J］.機床與液壓，2005（12）：135-137.