基于PLC的煤礦主扇通風系統的研究與設計

頊 波

(山煤集團 煤業管理有限公司，山西 太原 030006 )

0 引言

煤礦主扇風機是煤礦通風系統中最重要的設備，在煤礦生產中主扇風機必須長期連續運行，因此保證主扇風機安全高效穩定運行對于煤礦正常生產具有重要意義。近幾年PLC控制和變頻調速技術在工業方面得到廣泛應用，將PLC控制和變頻調速技術應用于煤礦主扇通風系統，能夠大幅度提高煤礦主扇通風系統的自動化程度，對于節約電能消耗、低碳環保也具有積極意義。

1 煤礦主扇通風系統組成及煤礦主扇通風系統布置情況

基于PLC控制和變頻調速技術對某煤礦的主扇通風系統進行研究與設計，煤礦主扇通風系統主要組成有供配電、PLC控制、變頻調速和在線監測等部分。

圖1為FBCDZ24/2×200型對旋軸流式通風機結構圖。該通風機包括集流器、1號電機、2號電機、擴散器、擴散塔和托車。在煤礦主扇風機布置中將該通風機簡化，得到如圖2所示的煤礦主扇通風系統布置俯視圖。

1-集流器；2-1號電機；3-2號電機；4-擴散器；5-擴散塔；6-托車

如圖2所示，煤礦主扇通風系統包括一臺工作的FBCDZ24/2×200型對旋軸流式通風機，并備用能夠在10 min內啟動的同樣一臺通風機。由兩臺對旋式電機拖動一臺對旋軸流式通風機，因此共布置有4臺對旋式電機。針對兩臺對旋軸流式通風機分別布置兩個獨立風道，將風門布置于對旋軸流式通風機入口之前，以實現風量大小調節和轉換運行風機的目的，將具有測量通風機負壓和流量功能的傳感器布置于風道內。此外，將4部風門絞車布置于風道中，以達到風流轉換時開閉風門的目的。

圖2 煤礦主扇通風系統布置俯視圖

2 煤礦主扇通風系統供配電部分

煤礦主扇通風系統供配電部分的電源引自井上變電站兩回路10 kV高壓線路的兩個不同母線，供電線路連接到煤礦主扇風機變電所的高壓室中。高壓母線采用單母線分段的方式，兩路供電進線線路均設線路備自投保護裝置，兩路線路均互相作為備用，以保證供電連續安全。低壓母線采用單母線分段的方式，分別配備兩組進線柜和一組母線聯絡柜。除此之外，布置4組變頻柜對連接2臺主扇風機的4臺對旋式電機進線控制，并且將工頻旁路柜配置于各臺變頻柜，若變頻柜出現問題不能正常工作時，能夠通過轉換到工頻旁路柜進行控制操作，以確保主扇風機能夠正常運行。另外布置一組低壓配電柜，為主扇風機的4部風門絞車、照明設備以及控制設備的電源供電。

3 煤礦主扇通風系統PLC控制部分

3.1 PLC控制部分的硬件及模塊

煤礦主扇通風系統PLC控制部分采用德國SIEMENS公司的S7-300型可編程序控制器(簡稱PLC)，通過MODBUS-RTU通訊協議并利用RS-485接口與變頻器之間實現傳輸通訊功能，實時搜集變頻器運行狀態和兩臺對旋式電機運行數據等信息，主要包括供配電部分的開關狀態、風門狀態、主扇風機狀態以及相關設備的溫度、故障等情況，以實現對變頻器的實時控制功能。圖3為煤礦主扇通風系統PLC控制部分模塊構成示意圖。

圖3 煤礦主扇通風系統PLC控制部分模塊構成示意圖

如圖3所示，煤礦主扇通風系統PLC控制部分主要包括西門子的PS系列307型電源模塊、315系列的2DP型高性能CPU模塊、SM321型數字量輸入模塊、SM322型數字量輸出模塊、SM331型模擬量輸入模塊、SM332型模擬量輸出模塊、IM365型接口模塊和CP341型通訊模塊。

3.2 PLC控制部分的控制及功能

煤礦主扇通風系統PLC控制部分主要包括風量和風壓的閉環控制及測控、對旋式電機的溫度監控、供配電部分的電壓和電流等相關電氣參數的測控以及主扇通風系統故障檢測和處理等，控制方式包括集中控制和機旁控制兩種類型。

(1) 集中控制方式：就是通過中央控制室進行主扇風機啟停和反風時風門的遠程控制。在現場作業過程中，中央控制室作業人員能夠利用工控主機的組態監控系統軟件的開啟或者停止按鈕，對主扇風機的運行狀態進行遠程控制。此外，也可通過工控主機中預先編制的控制程序，達到主扇風機整個啟停過程自動運行的目的。當主扇風機發生故障不能正常工作時，通過煤礦主扇通風系統PLC控制部分可以自動啟動備用風機及其他相關設備。

(2) 機旁控制方式：就是通過變頻調速設備對對旋式電機進行啟停控制，以此來實現在煤礦主扇通風系統相關設備進行設備檢修或者調試期間，避免主扇風機意外自啟動情況的發生，還可以對其進行緊急停機控制。

4 煤礦主扇通風系統變頻調速部分

4.1 變頻調速部分變頻器布置

根據前文所述，煤礦主扇通風系統配備一臺工作和一臺備用共兩臺主扇風機，并分別由兩臺電機拖動。因此，要求變頻調速部分能使各臺主扇風機的兩臺電機具有相同的轉速，并且能夠同時啟停兩臺電機。本次設計采用每臺電機均布置一臺變頻器進行相應控制，即各臺主扇風機的兩臺電機各布置一臺變頻器的“一拖一”布置方式。圖4為煤礦主扇通風系統變頻調速部分組成示意圖。

4.2 變頻調速部分變頻器選型

采用日本HITACHI公司的SJ系列700型高性能變頻器，該變頻器具有啟動轉矩高、維護便捷、運行高效、使用壽命長、適應性強特點，并具有跳閘抑制、可預先寫入程序、抑制電壓微浪涌、一鍵緊急切斷等功能，此外還配備了噪聲濾波器，達到了抑制諧波和減少噪聲的目的。

4.3 變頻調速部分變頻器接線

煤礦主扇通風系統變頻調速部分的4臺變頻器采用相同的電機控制方式和回路接線方式。圖5為變頻器的外部接線示意圖。

圖4 煤礦主扇通風系統變頻調速部分組成示意圖

圖5 變頻器的外部接線示意圖

如圖5所示，中間繼電器ZJ的常開接點與變頻器工作指示信號燈相連接，以反映變頻器工作情況。通過繼電器1KA的常開接點變換變頻器的手/自動控制方式。繼電器常開接點K1、K2、K3、K4與PLC控制部分的SM322型數字量輸出模塊相連接，通過變頻器的變換實現通風系統的正/反風運行。通過按鈕開關SB1實現變頻器的故障復位功能。智能輸出端子AL0和AL1與故障報警信號相連接，具有輸出故障停止信號的功能。電位器RP1可以在變頻器手動控制方式條件下，通過預先設定的電壓信號使得電機具有穩定的運行頻率。通過轉速表n1實時監測電機轉速參數情況。PLC控制部分通過OI端子和AMI端子來給定電機預先設定的運行頻率和接收電機運行頻率的反饋信號。PLC控制部分通過MODBUS-RTU通訊協議并利用RS-485接口與變頻器之間實現傳輸通訊功能。

5 煤礦主扇通風系統在線監測部分

煤礦主扇通風系統在線監測部分的上位計算機采用聯想商務高性能主機并配備打印機設備，上位組態軟件采用Fame View系列組態軟件系統，該軟件系統通過工業以太網與煤礦主扇通風系統的各設備及調度監控系統相連接，實現實時遠程監控的目的，在線監測部分主要監測參數有電機溫度、氣體流量、氣體壓力和風機振動等。

6 結語

隨著PLC控制技術和變頻調速技術的日臻完善成熟，其應用范圍越來越廣泛。煤礦主扇通風系統應用PLC控制和變頻調速技術后，大幅度提高了煤礦主扇通風系統的自動化程度、運行的可靠性、平順性和安全性，并對于節約電能消耗、低碳環保具有積極意義和實用價值。