井下風機變頻控制系統設計

鄭海峰

（陽煤集團一礦，山西陽泉 045000）

0 引言

煤炭一直以來對我國國民經濟的發展起著重要的作用，煤炭的安全生產是我國經濟發展的重要保障。井下通風機作為煤礦的重要設備之一，一直以來有著“礦井肺腑”之稱[1-2]。礦井通風機除了向各個生產工作面輸送新鮮空氣之外，還擔任排出有害物質諸如瓦斯、煙塵和煤塵等的重擔[3]。以井下通風機為主要設備構成的煤礦通風系統一旦發生故障，將使得井下無法正常生產工作，甚至導致瓦斯突然增高，遇明火發生爆炸等災難性事故，所以研究一種安全、高效、穩定的礦井通風機控制系統對保障煤礦安全生產具有重要意義[4-5]。本文設計了一種基于PLC控制器的通風機變頻控制系統，其具有抗干擾能力強、節省電能和延長設備使用壽命等優點，提高了通風系統的可靠性與穩定性。

1 系統整體設計

1.1 主通風機工作原理

目前，我國大多數煤礦采用的主通風機主要分為離心式通風機和軸流式通風機兩種。兩者在工作原理與結構性能方面既有相似之處，同時又有各自的特點。離心式通風機由主軸、葉輪、外殼、進氣口和出氣口等機構組成[6]。電動機帶動主軸轉動，葉輪開始高速旋轉，風流在離心力作用下由葉輪中心甩向葉輪邊緣位置，并最終匯集在外殼部分，隨著時間推移，風機內壓力逐漸升高，風流在氣壓作用下涌出風機，從而最終形成穩定風流。軸流式通風機一般由葉輪、集風器、變流器、擴散器等部分組成[7]。電動機帶動葉輪高速旋轉，風流通過集風器收集沿著進風口軸向進入風機，經過葉輪旋轉壓縮，風流的初始動能轉換為壓力能，最后經過擴散器進一步降低流速，增大出風面積，使得風流沿軸向穩定流出。在能效利用方面，離心通風機的利用效率高出軸流式通風機10%～20%左右，本文主要針對離心式通風機進行控制系統設計。

1.2 系統整體結構與控制方案設計

礦井的通風系統主要由主通風機和風門組成，由于通風機在整個通風系統中為核心部件，所以國內大多數煤礦在設計時采用了系統冗余的思想。本文也無例外的采用2臺通風機組，1臺通風、1臺備用的思想，確保煤礦通風作業不會間斷。系統的整體結構如圖1所示，風機控制柜通過檢測風機出口處的壓力信號和風量信號、電機的溫度信號、巷道內的瓦斯濃度信號來實現風機的自動控制，其中巷道調度室與遠程監控系統通過以太網連接，風機控制柜與巷道調度室采用RS485串口通信方式實現信號與指令的傳輸。當1號風機發生故障無法正常通風時，為了保障煤礦井下的安全，巷道調度室通過調用風機切換程序實現1號風機與2號風機的無間隙切換，以保證井下持續通風。

圖1 系統總體結構設計

本文設計的控制系統采用負反饋控制方案，其中硬件部分包括PLC控制器、變頻器、主通風機、風量傳感器與瓦斯傳感器等，軟件部分包括上位機及各功能模塊。系統啟動后，由變頻器帶動主電機驅動通風機通風，系統通過安裝在巷道的傳感器獲取風機出口處的壓力信號，風速信號及巷道內的瓦斯濃度等信號，在通過控制器計算后，系統通過改變變頻器的輸出頻率實現主通風機的風速調節。主通風機控制方案如圖2所示，通過閉環系統PID控制，始終將礦井的各項指標維持在正常水平，保證井下生產安全。

圖2 系統控制方案設計

2 系統硬件部分選型設計

2.1 控制器整體設計

本文設計的控制系統以PLC為核心控制器，由上位機、人機交互界面、報警裝置、存儲裝置、電源通訊與各類傳感器組成，控制器硬件結構如圖3所示。

綜合考慮控制器的輸入輸出點數、可擴展余量、存儲單元大小與控制功能等特性，最終選用西門子公司生產的S7-300系列作為本系統的核心控制器。S7-300屬于中小型PLC控制器，滿足工業的中等控制要求，其指令處理速度較快，單個指令的處理時間在0.6μs內；人機交互界面方便快捷，工程技術人員上手簡單，可通過梯形圖直接實現系統功能的擴展；控制器具有自診斷功能，為事故分析提供科學依據；具有一定的保密功能[8]。

圖3 控制器硬件設計

2.2 信號檢測及抗干擾

當電機溫度超過額定值時，會導致零部件損壞，破壞系統穩定性。本系統采用PT100型號溫度傳感器，其利用熱電偶定律，傳感器電阻采用熱敏電阻，當被測溫度升高時，傳感器阻值升高，通過檢測阻值大小，利用之間比例關系換算得到實際溫度。

在檢測風機出口風量大小時，由于巷道內的風速流場不均勻，直接測量會造成很大的誤差，所以本文采用皮托靜壓管橫動法，通過測量同一橫截面各個測量點的壓差得到風機的風量大小。

式中：v為通風機風速值；Δp為測量點的平均壓差值；ρ為通過所測截面氣流的空氣密度；n為測量點的個數；Δpj為測量點的壓差。

在對信號采集時，由于井下環境復雜，需對采集信號進行優化處理，以抵抗其他因素的干擾。本文設計的有源低通濾波電路如圖4所示，其由電阻、電容與運算放大器等組成，作用是允許較低頻率的信號通過，抑制高頻率范圍內的信號，除此之外還能夠對信號起到放大的作用，增加傳感器采集信號的強度，保證信號在傳輸過程中不會發生失真等情況。

圖4 有源低通濾波電路

3 系統軟件部分設計

系統啟動后初始化，開啟井下的風門，變頻器驅動風機，在若干時間后風機正常工作，井下持續通風，系統開啟信號采集子程序，采集風機運行參數，由PLC控制器處理數據實現風機閉環控制。系統查詢中斷子程序，檢測風機的啟動、反向送風與風機倒機狀態，并執行相應子程序，當1號風機發生故障時，執行風機切換子程序實現2號風機的無縫銜接，保證井下持續通風作業。當接到反風指令時，按下風機停止按鈕，風門始終保持開啟狀態，電機完全停止后按下反轉按鈕，實現反向通風。系統主程序流程如圖5所示。

圖5 系統主程序流程圖設計

4 結束語

本文針對井下工作環境，設計了一種基于PLC控制器的礦井通風機變頻控制系統，分析系統的工作原理與信號檢測過程，選用合適的信號檢測裝置與檢測方式對通風機的相關運行狀態進行監控，以S7-300系列PLC作為風機的主控制器，通過負反饋閉環控制，調節通風機的出口風速。系統的應用將會提高風機之間的聯動性，實現風機變頻驅動，降低設備受到的損耗，延長使用壽命，保證井下持續通風，維持工作面生產安全。