礦井通風機變頻控制系統(tǒng)設計

陳曉飛

（山西古交西山義城煤業(yè)，太原 030203）

0 引言

在煤礦生產過程中，礦井通風機是保障煤炭生產安全的重要設備，主要負責向井下工作面輸送新鮮空氣，抑制粉塵和排出有害氣體[1-2]。在井下設備散熱、工人呼吸與大地地熱作用下，礦井溫度與濕度會維持在一個很高的水平，風機輸送的新鮮空氣在沖淡有害氣體的同時也會降低溫度與濕度，保障工作人員與設備的工作環(huán)境安全[3-4]。因此，大多數(shù)煤礦通風機都是24 h連續(xù)運行，風機在煤礦生產過程中屬于負荷用電量很大的機電設備，隨著變頻器的普及以及成本的降低，使得這一問題有了新的解決方案。研究設計一種風機變頻調速系統(tǒng)，對實現(xiàn)礦井通風機的經濟運行，降低用電功耗有著很重要的意義。

1 控制系統(tǒng)總體研究設計

礦井風機按照結構上的區(qū)別主要可以分為離心式通風機與軸流式通風機兩類。離心式通風機主要由機殼、機軸、葉輪與進出氣口等組成，驅動電機通過聯(lián)軸器與通風機機軸相連，帶動葉輪轉動，在旋轉時產生的離心力將空氣甩出集中在機殼內，最終從排氣口處排出，進氣口由于負壓影響不斷吸入新鮮空氣，從而形成循環(huán)流動的氣流。軸流式風機主要由工作輪、機殼、集風器、整流器與擴散器等組成[5-6]。在實際工程中，離心式風機的應用效果要比軸流式風機好，應用范圍也廣，所以本文主要對離心式風機的變頻控制系統(tǒng)進行設計。

1.1 系統(tǒng)總體結構

通風機控制系統(tǒng)主要由上位機、設備操作臺、核心控制器、觸摸屏、變頻器與傳感器模塊等組成。系統(tǒng)以PLC控制器為核心，主要控制變頻器的啟動和停止，監(jiān)測風機的工作參數(shù)，其中PLC與變頻器通過RS485的串口通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)在正常工作時，由一臺風機為井下通風，另一臺風機作為備用機，防止機器故障給井下生產帶來的不便，PLC控制器負責整個風機組的切換。工作人員可以通過觸摸屏與上位機對系統(tǒng)進行調控，其中上位機與操作臺通過工業(yè)以太網(wǎng)進行指令數(shù)據(jù)的通信。

圖1 系統(tǒng)模塊化結構設計

1.2 系統(tǒng)控制方案

本文采用變頻器對風機進行控制，應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機的輸入頻率來控制驅動電機的輸出轉速。變頻調速的基本原理為：

式中：n為交流異步電機轉速，f為電機定子頻率，p為電機磁極對數(shù)，s為轉差率，則轉差率為：

式中：n為電機同步轉速，ω為電機固有頻率，ω1為角頻率。

由式（1）～（3）可知，當調整電機的輸入頻率f，則交流電動機轉子的轉速n也會相應地發(fā)生改變。即降低電機電源頻率，電機的同步轉速隨之降低，最終交流電機的實際轉速也會降低；反之，升高電源頻率將增大電機的實際轉速。

變頻器應用于風機控制系統(tǒng)后，可以使電機在一個合理的平均速度下運行，減少功率損耗。由流體力學可知，風機屬于平方轉矩負載，即風機轉矩與風機轉速成正比，風機負載的功率與轉速的立方成正比，因此在滿足井下通風要求的前提下，只需要對平均轉速進行較小地降低，就可以大幅度減小風機功耗。據(jù)相關資料統(tǒng)計，采用變頻技術對風機進行控制，可以節(jié)約20%～60%的能耗。

煤礦通風機的控制數(shù)學模型參數(shù)具有時變性與滯后性，本文采用PID控制器的方式對其進行調節(jié)。PID控制即比例、積分和微分調節(jié)，在工程控制領域應用廣泛，可根據(jù)誤差進行調節(jié)控制，是一種經典的線性控制器。本系統(tǒng)的PID控制原理圖如圖2所示。

圖2 PID控制原理圖

圖中r(t)為給定值，y(t)為輸出值，e(t)為控制偏差，則控制規(guī)律為：

式中：Kp、Kt、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。通過對這3個參數(shù)的不斷修訂，可實現(xiàn)控制效果的優(yōu)化。

2 控制系統(tǒng)硬件選型

2.1 PLC控制器與變頻器選型

本文選用西門子公司生產的S7-300PLC作為系統(tǒng)核心控制器。S7-300PLC由電源模塊、CPU模塊、接口模塊、輸入輸出模塊與通訊模塊等組成。電源模塊將120～240 V交流電壓轉換為24 V直流電，為CPU模塊等其他負載進行供電；CPU模塊用于執(zhí)行用戶編寫的程序，為總線提高5 V電壓；接口模塊用于連接多機配置的S7-300機型；通訊模塊用于網(wǎng)絡通信和點對點之間的通信。S7-300具有強大的指令處理能力，有在很短時間內進行告訴的信息處理能力，具有方便的人機界面（HMI），方便用戶進行編程和維護[7-8]。

變頻器選用西門子公司專為風機控制系統(tǒng)設計的MM430型變頻器。MM430變頻器具有4個模擬量輸入接口，6個數(shù)字量輸入接口，多個模擬量輸出接口；具有集成的RS485通信接口和Profibus-DP通信模塊；具有一定的過載能力，當達到額定電流140%時，系統(tǒng)可以承受3 s不被損壞；具有過電流保護、過熱保護和欠電壓保護等功能。

2.2 傳感器選型與安裝

該系統(tǒng)的設計中，根據(jù)煤礦生產安全要求與風機運行特性，主要通過風機輸出風速、風壓、風機溫度、振動幅度等信號進行監(jiān)測。在溫度測量方面，考慮風機溫度范圍比較寬，選用Pt100型熱電阻溫度傳感器，測量風機軸承與電機軸承溫度，可測范圍為-200～+200℃。在風壓參數(shù)測量方面，選用Y400-402高壓型壓力傳感器測量風機出口處的風壓值，傳感器安裝于風機出口處的管道上壁處。在振動信號監(jiān)測方面，直觀的方式就是測量風機軸產生的位移，選用BCD-21C/S傳感器，具有隔振防爆功能，其中BCD-C采用垂直方向安裝，BCD-S采用水平方向安裝。在對風速測量時，選用GFW15型高速風流傳感器，其測量原理為通過風速流過產生的熱量來識別風速大小。

3 系統(tǒng)軟件程序

通風機變頻器的啟動與停止主要通過主程序來控制，在執(zhí)行主程序的過程中可調用其他子程序的功能，系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)初始化自檢完成后，由PLC對實際風量與設定值的上下限進行比較，當風量低于下限時，增大變頻器的輸出頻率；反之，當風量高于上限時，降低變頻器的輸出頻率。本文采用STEP7軟件對系統(tǒng)程序進行編寫，具有符號編輯器、硬件組態(tài)與硬件診斷等功能，可使用LAD、FBD與STL 3種編程語言進行編譯，并實現(xiàn)三者之間的轉換。在組態(tài)軟件上，采用西門子公司的WinCC對風機數(shù)據(jù)進行監(jiān)視，集成了SCADA、組態(tài)和OPC等技術，人機界面友好，減少工作人員對軟件開發(fā)的時間，方便設備的維護更新。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

4 結束語

本文設計了一種基于S7-300PLC的通風機變頻控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的總體結構進行研究設計，闡述與證明了變頻系統(tǒng)的節(jié)能效果，并對PID控制原理進行分析設計。該系統(tǒng)具有運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測與變頻控制的功能，可實現(xiàn)風機的節(jié)能運行，預期較原先系統(tǒng)至少節(jié)能20%，提高了風機運行的可靠性，保障了井下生產工作的安全進行。