變頻技術在煤礦通風自動控制系統中的應用

黃睿

摘 要： 煤礦通風系統是煤礦安全生產的重要保障。在煤礦通風系統中應用了自動控制原理，并引入變頻技術，對整個系統進行改造，設計出一套具有實用價值的方案。實現煤礦通風自動控制的同時大大節約了電能的消耗，為煤炭產業工控系統的改造提供借鑒。

關鍵詞： 變頻器； PLC； 通風系統； 自動控制

中圖分類號： TD 63+5 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）03-0090-03

0 引 言

煤礦業在我國的國民經濟中占有重要地位，其生產線的高效性和安全性是最主要的兩個指標，而煤礦安全的重中之重就是煤礦通風[1]。煤礦通風系統是杜絕煤礦生產安全事故的重要保障。將自動化技術引入煤礦通風系統中，形成一套完整的自動控制體系，可以提高通風效率，提高安全系數，降低煤礦通風管理過程人力成本。而在此基礎上，加入變頻技術，就可以深度節約成本，優化自控系統，使得經濟效益最大化，對促進煤炭產業的發展具有重要意義。

1 自控系統設計

由于井下煤礦實際需求，通風自控系統需要分為三個網絡體系：管理層、控制層和現場層。管理層利用上位機組態對井下現場層實時監控，與控制層之間通過工業以太網實現信息數據的交換，達到遠程控制的目的；控制層則通過主控制器直接對現場器件進行操作；現場層通過各器件采集數據，將信號直接上傳。通風自控系統結構圖如圖1所示。

圖1中，主控制器可以采集實時運行數據，與管理層的上位機交換數據，實現現場層設備的實時監控[2]。通風機相關設備、各類傳感器和執行原件構成現場層的主要硬件系統，這些設備可以采集溫度、通風量、通風壓力和震動量等數據信息，控制端預置理想狀態參數，系統可以自動調節通風量。

2 系統控制方式

本系統采用了工業控制領域中廣泛應用的可編程控制器，即PLC[3]。相比單片機而言PLC具有抗干擾能力強、可靠性高、接口功能先進等諸多優點。PLC程序編寫通俗易懂，尤其是梯形圖程序，簡潔直觀，非常容易掌握，更適合現場技術工人使用。PLC的結構模塊化，用戶可以根據自己的需要進行改裝、重組；模塊化使外圍電路大幅度化簡，安裝時更加簡單。此外系統出現故障時，可以針對報錯模塊單獨維修或更換，為系統的維護提供方便。PLC是實現機電一體化的理想控制設備[4]，具有超高的性價比，小巧輕便，低能耗，非常適合煤礦自動通風系統使用。

3 變頻技術的應用

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備[5]。變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：

n=60f（1-s）/p，

式中：n為轉速；f為輸入頻率；s為電機轉差率；p為電機磁極對數。通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。

變頻調速控制方式通常分為V/F控制、轉差率控制、矢量控制和直接轉矩控制四種，分別適用于不同場合。對于風機來說，通常采用V/F控制。V/F控制低頻特性差，在電機低速運行時存在一定缺陷，但是由于風機不需要考慮負載問題，所以V/F控制完全適用，結構簡單而且節能效果好。圖2為引入變頻調速后的節能對比結果。

圖2中，H為風壓；Q為風量；R為網管阻力；A為通風機的工作點。由圖2可以看出，當以風量為被控量，通過控制風門開度，將風量減少一半時，網管阻力R隨之改變，但是電動機的轉速沒有發生改變，H曲線不變。而變頻調速可以降低轉速，同樣的風量改變條件下，H曲線大幅度改變。經過對比，圖中的陰影面積即為節約的功率。

在已有硬件系統的基礎之上，將原控制器并聯變頻控制設備，由變頻器操控通風機，這樣就形成了可以自動切換功能的工頻、變頻雙回路操作系統。為了達到通風要求，由控制閥箱來撤銷原來的風門，系統主控制器直接操控PLC。

遠程監視功能由上位機組態和控制接口聯網來實現；控制端由DCS 集控系統構成。在監控端通過微機主控平臺啟動主通風機中的任意一臺電機，就可以對每一臺電機的實時運行狀況直接進行監視。自動化變頻器在運行中產生輸出頻率，根據此頻率可以在風機風量的自動調節控制下，通過手動和自動的方式設置變頻柜的各類參數，頻率與風量的自動閉環控制由此產生。自動性保護功能、運行指示功能、電源指示功能和頻率顯示功能以及過電流、過電壓、過載、聲光報警等功能通過改造均可以實現，當現場設備運行故障時，便可自動報警，并顯示故障器件參數。

改造后的風量自控系統結構如圖3所示。

系統中PLC作為控制核心，風量為被控量，變頻器通過PLC發送的控制信號進行變頻調速，通過不斷測量實際風量與給定值的偏差，自動調整，直至消除偏差，達到穩定狀態。

4 結束語

本文在日漸成熟的煤礦井下通風自動控制系統基礎上，通過引入變頻器，將系統改造、完善。不僅滿足了系統的安全性、自動化，還在能源節約方面取得了成績，既為煤礦高效安全生產提供了保障，也日后的研究提供一定的借鑒。

參考文獻：

[1] 陳醉. 關于煤礦通風系統安全運行的相關影響因素的探討[J]. 科技資訊，2012（22）：101.

[2] 陳蕊. 基于 PLC 的礦井主扇風機的監控系統設計[D]. 山西：太原理工大學，2012.

[3] 廖常初. PLC編程及應用[M]. 北京：機械工業出版社，2002：179-181.

[4] FREY G，LITZ L. Formal methods in PLC programming[C]. IEEE International Conference，2000（4）：2431-2436.

[5] 魏強，沈沉. 空調末端控制系統自控元件的應用策略[J]. 制冷與空調，2012，12（3）：132-135.

Abstract： This thesis verifies the ventilation system of coal mine as a significant guarantee of coal mine work safety. A set of practical solutions have been presented as the modification of the system，based on the automatic control principle， as well as the introduced technology of frequency conversion. Realizing automatic control and greatly saving the energy consumption of coal mine ventilation simultaneously， the achievement can also be utilized to provide reference for coal industry transformation with the industrial control system.

Keywords： frequency converter； PLC； ventilation system； automatic control

（責任編輯：徐興華）