基于PLC的煤礦主通風(fēng)機(jī)變頻電控系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

林豐應(yīng)

（福建省華廈能源設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350004）

1 概述

煤礦主通風(fēng)機(jī)及其配套電氣控制設(shè)備的好壞，不僅關(guān)系著井下工作人員的生命安全和礦井生產(chǎn)安全，還關(guān)系著礦井的電能消耗和生產(chǎn)成本[1]。福建省天湖山能源實(shí)業(yè)有限公司含春煤礦+875m風(fēng)井裝備兩臺(tái)FBCDZ-№14型礦用防爆對(duì)旋軸流式主通風(fēng)機(jī)（一用一備，單臺(tái)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率2×45kW，電壓380V），風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的繼電器、電抗器降壓?jiǎn)?dòng)方式。自從設(shè)備投入運(yùn)行以來，存在以下缺點(diǎn)和不足：

（1）在兩臺(tái)主風(fēng)機(jī)輪換開機(jī)及每年一次的反風(fēng)演習(xí)過程中，由于系統(tǒng)需要控制對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)的一級(jí)電動(dòng)機(jī)、二級(jí)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)門（風(fēng)機(jī)電動(dòng)蝶閥）等多個(gè)設(shè)備的開/停（關(guān)），二次回路涉及的按鈕、行程開關(guān)、繼電器/輔助觸點(diǎn)較多，線路連接復(fù)雜，操作步驟繁瑣，故障率較高，維護(hù)困難。

（2）采用電抗器降壓?jiǎn)?dòng)對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)困難，設(shè)備能耗大。

（3）主通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)主要依賴值班人員的定時(shí)巡查，各種運(yùn)行數(shù)據(jù)靠人工記錄分析，不利于安全管理，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

隨著自動(dòng)化、智能化技術(shù)不斷發(fā)展，可編程邏輯控制器PLC被廣泛應(yīng)用于工業(yè)各種環(huán)境下的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。本文針對(duì)上述問題，運(yùn)用PLC和變頻器等先進(jìn)技術(shù)，提出了基于PLC的含春煤礦主通風(fēng)機(jī)變頻電控系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案。

2 風(fēng)機(jī)電控一次回路改造方案

礦井主通風(fēng)機(jī)原有電控系統(tǒng)一次部分主要由隔離開關(guān)(QS)、斷路器(QF1)、接觸器(KM1～KM5)、自耦變壓器(T)、熱繼電器(FR)等電器組成，采用降壓?jiǎn)?dòng)方式。為了提高系統(tǒng)的安全可靠性，改造保留原有電控系統(tǒng)不變，另裝上一套上海沃陸電氣公司生產(chǎn)的VOL600T0450P型變頻器（適配電機(jī)45kW）和PLC控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的同時(shí)又與原系統(tǒng)互為備用。一次接線如圖1虛線框內(nèi)所示。

圖1 系統(tǒng)改造一次接線方案

3 PLC控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制方案

為提高主風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)的安全可靠性，充分發(fā)揮變頻器的調(diào)速和保護(hù)功能齊全的優(yōu)越性能，本次改造二次控制回路方案采用PLC作為控制核心，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)風(fēng)門開/關(guān)、風(fēng)機(jī)開/停、反風(fēng)及聯(lián)鎖控制等操作自動(dòng)化，利用風(fēng)速、風(fēng)壓（負(fù)壓）、溫度等傳感器和變頻器自帶的電量采集等功能對(duì)主風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、相關(guān)電量參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)節(jié)，通過PLC的強(qiáng)大邏輯控制功能和遠(yuǎn)程通訊技術(shù)結(jié)合礦井的生產(chǎn)需要對(duì)主風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，通風(fēng)機(jī)房可以無人值守，從而實(shí)現(xiàn)主風(fēng)機(jī)的高效、安全、可靠、節(jié)能運(yùn)行的目標(biāo)。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次改造系統(tǒng)硬件部分主要有 PLC主控制器、模擬量輸入和輸出擴(kuò)展模塊、供電電源等。其PLC控制回路接線圖如圖2所示。系統(tǒng)以無錫信捷電氣公司XC2-42T-E高性能運(yùn)動(dòng)控制型PLC作為控制核心，配置XC-E4AD-H右擴(kuò)展4通道模擬量輸入模塊（外接為風(fēng)速、負(fù)壓、溫度傳感器）和XCE4DA-H右擴(kuò)展4通道模擬量輸出模塊（分別與4臺(tái)變頻器的GND和CCI端子進(jìn)行連接控制其輸出頻率）構(gòu)成控制系統(tǒng)。

圖2 風(fēng)機(jī)PLC控制回路接線圖

1SBl～7SB2、1SA、1TA、2TA分別為不同開關(guān)量輸入信號(hào)的操作按鈕，3TA～6TA 為變頻器工作狀態(tài)的開關(guān)量反饋輸入信號(hào)，AI0～AI3接系統(tǒng)檢測(cè)傳感器輸入端子，中間繼電器KMl～KM8分別驅(qū)動(dòng)四臺(tái)變頻器FWD和REV端子控制對(duì)旋風(fēng)機(jī)的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)，KAl～KA4 分別控制兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的電動(dòng)風(fēng)門（蝶閥）開啟和關(guān)閉，蜂鳴器的作用是故障時(shí)起到報(bào)警作用。PLC主控制器的電源為AC220V，系統(tǒng)其他的DC24V直流電源由開關(guān)電源提供。

3.3 PLC的I/0 分配表

根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，在PLC外接電路設(shè)計(jì)中共有 24路輸入和21路輸出，其輸入接口和輸出接口分配詳見表1。

3.4 PLC與變頻器的外部連接

本次改造主控制器配備無錫信捷公司XC2-42T-E型PLC，配上XC-E4AD-H右擴(kuò)展4通道模擬量輸入模塊（外接為風(fēng)速、負(fù)壓等傳感器）作為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量的輸入信號(hào),通過XC-E4DA-H右擴(kuò)展模塊輸出模擬量以調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主通風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)（抽風(fēng)）、反轉(zhuǎn)（反風(fēng)）的開/停、調(diào)速（調(diào)節(jié)風(fēng)量）、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制等功能。現(xiàn)以1#變頻器的二次接線為例，PLC主控制器與變頻器的二次線路連接如圖3所示。

圖3 PLC與變頻器二次接線圖

表1 PLC輸入/輸出接口分配表

3.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件控制程序采用XCPPro軟件以梯形圖方式進(jìn)行編寫，針對(duì)煤礦生產(chǎn)對(duì)主通風(fēng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、逆轉(zhuǎn)操作、自動(dòng)控制需要和高效、安全、可靠、節(jié)能運(yùn)行要求，設(shè)計(jì)高可靠、可操作和易維護(hù)性軟件系統(tǒng)，其主要功能說明如下：

（1）系統(tǒng)提供先進(jìn)且易于使用的圖形狀態(tài)顯示、人機(jī)互動(dòng)界面功能，有手動(dòng)/自動(dòng)控制工作模式、遠(yuǎn)程通訊以及故障報(bào)警等功能；提供系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等信息共享、交流、查詢與檢索等功能，讓使用者能隨時(shí)查詢、分析、存儲(chǔ)各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)、控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制（無人值守），制作、打印所需的報(bào)表。

（2）正常工作風(fēng)機(jī)與備用風(fēng)機(jī)的風(fēng)門具備互鎖功能，風(fēng)機(jī)風(fēng)門（電動(dòng)蝶閥）只有在通風(fēng)機(jī)主電動(dòng)機(jī)處于斷電停機(jī)狀態(tài)下方可開啟或關(guān)閉。

（3）通風(fēng)機(jī)正常工作設(shè)置為一臺(tái)工作一臺(tái)備用，當(dāng)通風(fēng)機(jī)滿足系統(tǒng)設(shè)定的啟動(dòng)邏輯條件時(shí)方可啟動(dòng)。風(fēng)機(jī)具備正、反轉(zhuǎn)互鎖功能，當(dāng)需要改變運(yùn)轉(zhuǎn)方向時(shí)，必須先將其停止運(yùn)行后，方可改變工作過程。

（4）系統(tǒng)能根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)定風(fēng)機(jī)的風(fēng)量或壓力值，并通過外部各傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率以控制風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)高效節(jié)能運(yùn)行（自動(dòng)方式）, 手動(dòng)方式時(shí)有防止風(fēng)機(jī)頻繁啟動(dòng)功能。

（5）當(dāng)主通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并發(fā)出指示信號(hào)。當(dāng)風(fēng)機(jī)軸承或定子溫度超過設(shè)定的溫度上限時(shí)，PLC將自動(dòng)切斷當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)機(jī)，自動(dòng)切換接入另一臺(tái)風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行（手動(dòng)方式需值班人員手動(dòng)切換）。

4 結(jié)語(yǔ)

基于PLC的變頻電控系統(tǒng)改造在含春煤礦+875m風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)上實(shí)施取得非常好的應(yīng)用效果，礦井另一個(gè)風(fēng)井也在進(jìn)行類似的改造。該項(xiàng)改造不僅一次接線簡(jiǎn)單，系統(tǒng)保護(hù)功能齊全，操作更加靈活、方便、自動(dòng)化，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，還實(shí)現(xiàn)了每年省電約7.5萬kWh（節(jié)約15%～20%的電能）。該改造不僅有效降低了礦井主通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障的概率，提高風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)的安全、可靠性和自動(dòng)化水平，而且實(shí)現(xiàn)礦井主通風(fēng)機(jī)高效、安全、可靠、節(jié)能運(yùn)行的目標(biāo)，為小型煤礦主通風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)改造提供參考和借鑒。