通風機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計

張劍波

（陽煤寺家莊有限責任公司防突隊， 山西 陽泉 045300）

引言

綜采工作面采煤時，煤層中所含的有毒氣體（包括瓦斯、CO、H2S 等）會被釋放出來。其中，瓦斯是影響煤炭安全生產(chǎn)的重要威脅源，而CO、H2S 等氣體嚴重威脅著綜采工作面作業(yè)人員的人身健康。因此，為確保綜采工作面及作業(yè)人員的安全、健康，需確保工作面有毒氣體的含量滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標準要求[1]。通風機作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其被稱為煤礦的呼吸系統(tǒng)，為工作面及人員提供新鮮空氣的同時降低工作面有毒氣體的含量。在實際生產(chǎn)中，通風機控制精度低、自動化程度低以及耗電量高等問題，其工作性能尚不能滿足實際生產(chǎn)的需求，無法為作業(yè)人員及工作面提供安全的工作環(huán)境。因此，需對當前通風機的控制系統(tǒng)進行變頻調(diào)速改進設(shè)計。

1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)的功能要求

為確保所設(shè)計的通風機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)能夠滿足實際生產(chǎn)的需求，要求變頻調(diào)速控制系統(tǒng)滿足如下特性：

1）抗干擾性、可靠性。由于綜采工作面惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，該變頻調(diào)速控制系統(tǒng)采用PLC 控制方式。因此，需對PLC 控制器采取隔離、濾波等措施[2]。將系統(tǒng)中的開關(guān)動作由傳統(tǒng)的機械觸點繼電器更換為無觸點半導(dǎo)體電路，提高系統(tǒng)的可靠性。

2）系統(tǒng)具有一定的節(jié)能效果。為解決通風機耗電量、啟停時對系統(tǒng)造成沖擊的問題，本系統(tǒng)采用變頻器拖動電機，根據(jù)現(xiàn)場工況及實時風機風量大小智能調(diào)節(jié)通風機電機轉(zhuǎn)速，在減少通風系統(tǒng)在啟停階段對系統(tǒng)造成沖擊的同時，達到節(jié)能的效果。

3）自動監(jiān)測功能及容錯性。為降低作業(yè)人員的勞動強度，提升系統(tǒng)的自動化程度，該系統(tǒng)增設(shè)自動監(jiān)測功能，對現(xiàn)場風機的運行狀態(tài)、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)進行監(jiān)測。當工作面通風機遇到故障時，為確保其工作面環(huán)境滿足相關(guān)標準要求，要求系統(tǒng)具有容錯性，可在其中一臺通風機出現(xiàn)故障時，通過“切換”按鈕啟動另一臺通風機，從而避免事故的發(fā)生[3]。

1.2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的核心控制器為PLC，系統(tǒng)主要分為監(jiān)測分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)以及傳動分系統(tǒng)。PLC 控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場工作面監(jiān)測設(shè)備對通風機的運行狀態(tài)及相關(guān)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測（監(jiān)測分系統(tǒng)）；基于PLC 控制器對所得數(shù)據(jù)處理后將控制指令通過變頻器傳遞至相關(guān)電機（控制分系統(tǒng)）。此外，基于PLC 控制器將所采集到通風機的運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)顯示與工況機上，用戶可通過觸摸屏選擇傳動其控制指令并查看相關(guān)參數(shù)（傳動分系統(tǒng)）[4]。

2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的核心硬件包括有PLC 控制器和變頻器。本節(jié)著重對該系統(tǒng)的核心硬件和輔助設(shè)備進行設(shè)計。

2.1 PLC 的選型及硬件設(shè)計

出于綜采工作面的安全性和系統(tǒng)可靠性綜合因素的考慮，本系統(tǒng)所采用PLC 控制器的類型為H 系統(tǒng)S7-400H 冗余PLC。冗余PLC 控制器由冗余CPU、電源模塊以及相關(guān)通信模塊組成。此外，還可根據(jù)控制需求加設(shè)接口模塊。

本系統(tǒng)所選用PLC 的型號為AS412-3-2H，該PLC 控制器的CPU 型號為412-3H。根據(jù)控制需求，對PLC 控制器各個地址分配如下頁表1 所示。

2.2 變頻器的選型設(shè)計

1）變頻調(diào)速原理。所謂變頻調(diào)速指的是系統(tǒng)通過調(diào)整電機的頻率達到對風量的無級控制。其控制原理如式（1）所示：

表1 PLC 控制器地址分配及功能

式中：n為電機轉(zhuǎn)速；f為三相異步電動機的運行頻率；s為三相異步電動機的轉(zhuǎn)差率；p為三相異步電動機的極對數(shù)。分析式（1）可知：風機轉(zhuǎn)速與其三相異步電機的運行頻率成正比。我國電網(wǎng)頻率范圍0～50 Hz。因此，基于變頻調(diào)速可實現(xiàn)對通風機風量的平滑調(diào)速。

2）變頻器選型。變頻器作為該系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，其性能直接決定著最終對通風機風量及風速的調(diào)節(jié)效果。綜合分析通風機的工作特點及電壓功率因素、電壓波形等，且為實現(xiàn)較寬的調(diào)速范圍，本文所選型變頻器的型號為5HK62-5B[5]。該變頻器的操作界面如圖1 所示。

圖1 變頻器操作界面

為提升控制系統(tǒng)的可靠性，該型變頻器的控制電路主要由驅(qū)動電路、風量監(jiān)測電路、電壓檢測電路、電流檢測電路以及相關(guān)保護電路組成。

3 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計

本系統(tǒng)采用組態(tài)軟件對系統(tǒng)的控制部分和監(jiān)測部分的軟件進行設(shè)計。為確保對軟件程序的維護功能，對變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計。在結(jié)合通風機綜采工作面的運行任務(wù)的基礎(chǔ)上，本文對系統(tǒng)軟件的總體程序流程圖設(shè)定如圖2 所示。

為實現(xiàn)通風機在正常運行狀態(tài)下的節(jié)能運行，本程序主要針對其在瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%時通風機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測控制。如圖2 所示，系統(tǒng)首先對工作面的瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測。當瓦斯?jié)舛瘸^限值1.5%時，工作面進行瓦斯排放操作；當瓦斯?jié)舛仍谝?guī)定范圍之內(nèi)時，通過控制變頻器實現(xiàn)對通風機在工頻和變頻切換時的運行，并實時監(jiān)測變頻器是否存在故障。

鑒于綜采工作面存在粉塵，設(shè)定電機的最小頻率為25 Hz。經(jīng)實踐表明，根據(jù)工作面瓦斯?jié)舛鹊牟煌c其相對應(yīng)的變頻器電機的工作頻率如表2所示。

圖2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)程序流程圖

表2 不同瓦斯?jié)舛认码姍C頻率

4 結(jié)語

礦井通風機為綜采工作面提供新鮮空氣的同時，將工作面的有毒氣體、粉塵等有害物質(zhì)排除，是確保綜采工作面安全生產(chǎn)及作業(yè)人員身心健康的關(guān)鍵設(shè)備。將變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用于通風機系統(tǒng)中，并選用可靠性高的PLC 控制器、變頻器等關(guān)鍵設(shè)備，為確保通風機變頻調(diào)速控制的可靠性奠定基礎(chǔ)。