變頻調速通風機系統的PLC控制

劉偉

【摘 要】利用西門子S7-300系列PLC，結合變頻器開發控制系統，實現對煤礦通風系統的精準控制。系統上位機利用臺達觸摸屏，系統控制算法利用主通風機風壓與風量的關系實現PID控制，通過對變頻器的控制，從而實現對通風量的實時動態調整，實現煤礦通風機的可靠、平穩運行。

【關鍵詞】PLC;變頻調速;通風機;變頻器;觸摸屏

在煤礦生產過程中，為了獲得新鮮空氣的補充，需要利用通風機進行空氣循環，從而為井下提供安全的環境。通常，通風機運行環境條件比較差，并且需要長時間地工作，通風機功率較大，導致通風機出現故障。

針對上述通風機故障問題，本文提出了一種利用PLC、結合變頻器實現的通風機變頻控制系統，通過利用實時監測的通風機風量、風壓等系統參數，經過系統軟件計算以后對變頻器轉速進行調整，達到目前所需要的最優狀態，在實現通風系統節能的同時降低系統的故障率。另外，通過上位機實現對系統當前狀態的實時監控。

一、控制系統整體方案

本文設計的控制系統硬件主要包括 PLC、變頻器、傳感器、臺達觸摸屏等。控制系統核心部分采用西門 子 S7- 300系列 PLC;變頻控制部分采用西門子 MM430 型號的變頻器;另外，需要利用傳感器對通風機的風 量、風壓進行監測;為了實現人機交互控制，本文采 用臺達觸摸屏作為人機交界面互實現實時監控。PLC與變頻器之間采用一路串口通信，PLC與觸摸屏之間采用另一路串口通信。

（一）系統控制功能

1.手動控制。本文設計的控制系統同樣設計有手動控制方式，在需要對旁路變頻器進行人為控制運行時可以選擇手動控制。手動控制需要在觸摸屏進行設置，而且需要現場操作人員確認。觸摸屏選擇手動控制以后就會發送相應的信號到 PLC，PLC 與變頻器進行通信實現運行、加速、減速、停止控制。

2.全自動控制。當系統選擇為全自動運行方式時，PLC 根據現場通風機監測傳感器監測到的實時信號，包括風壓、風量信息，計算當前所需要的風量，并計算出當前通風機運行的速度，通過與變頻器通信實現對變頻器輸出頻率的調整。

3.系統自診斷。在投入使用之前，變頻控制系統根據各部分傳感器監測到的信號做出判斷，當無法滿足啟動要求時，系統就會發出故障信號，同時在觸摸屏顯示故障內容，通知操作人員進行處理。

通風機轉向? 轉速控制：

a）正反轉控制。在正常工作狀態下，通風機為正向旋轉，實現礦井的通風;當系統監測到礦井發生火災事故后，需要控制通風機反轉，通過觸摸屏與礦井中的火災監測系統通信實現通風機轉向的轉換，同時在觸摸屏顯示當前通風機旋轉方向。

b）瓦斯聯動控制技術。礦井中的瓦斯濃度監測報警系統同樣與觸摸屏進行通信。當瓦斯濃度過高時， 報警系統發送信號，觸摸屏發出轉速提高信號，使礦 井通入的空氣量增大，降低瓦斯的濃度，保證生產環 境安全。

（二）通風機變頻調速原理

通風機電機為異步電機，因此其轉速與供電電源頻率間的關系可以用公式可以看出，改變通風機電機的轉差率、電機極對數，或者改變通風機供電電源頻率，都可以 使通風機轉速改變。通常，改變電機的極對數及轉差 率較為困難，改變供電電源頻率比較容易實現，并且 可以實現平滑變化。

（三）PLC系統設計

本文設計的系統采用的控制器是西門子 S7- 300 系列 PLC，CPU 型號為 314IFC。PLC 與變頻器通信采用串口通信，PLC 作為主機，變頻器作為從機，PLC 將控制信號發送到變頻器，變頻器根據 PLC 發送的數據進行輸出轉速及轉向的控制數據監測系統設計。

二、PLC 程序和觸摸屏程序設計

系統通過各種傳感器、變送器和輔助開關實現對現場信號的采集。根據系統實際指標、環境條件等來選擇監測器件。西門子 S7- 300 系列 PLC 接收壓力變送器測量的 4～20 mA 標準信號，經過程序運算后，輸出對應變頻器的頻率控制信號，從而控制礦井道的通風量。傳感器通過對應的變送器實現對壓力、溫度等標準信號的監測，然后通過西門子 S7- 300 系列 PLC 進行程序處理，實現對主通風機的有效控制。通風機軸 承溫度、電機軸承溫度的測量等，采用PT100 鉑電阻和溫度變送器，將溫度信號轉化為 4～20 mA 的電流信號;選用 0～30 mm 位移傳感器測量軸承的水平振動和垂直振動，其輸出信號為 4～20 mA 的標準電流信號; 選用負壓傳感器測量井下通風巷道負壓的變化情況， 測量范圍為 0～5 kPa;通過各輔助開關實現對開關量信號的采集。

系統程序設計：

（一）PLC 程序設計

通過PLC 輸出的控制信號實現對變頻器的控制，從而實現對通風機的控制。在手動控制模式下，通過觸摸屏界面選擇對應的控制按鈕發送控制信號，實現對通風機加速、減速、停機等的控制。在全自動控制模式下PLC采用 PID控制算法。

利用 PLC 內部系統函數實現 PIE 控制，主要實現過程如下：

利用 BOOL 型輸入參數 COM_RST 對 PID 進行重新啟動，BOOL 型參數 MAN_ON 可以實現對 PIT 算法的手動復位，當該數值為 1 時，對應的輸出值等于輸入值。PID：CYCLE：TIME：PID 表示 PID 算法對輸入信號的采樣周期;GAIN 為實型數據，表示的是 PID 算法的比例增益;TI：PID 表示算法的積分時間參數;TD：PID 表示算法的微分時間參數。輸出參數包括 LMN，是實型參數，表示的是 PID 算法的輸出值。

（二）觸摸屏程序設計

觸摸屏主界面顯示PLC當前監測數據，包括風機的風量、風壓、軸溫等數據;同時具有歷史數據查詢功 能，可以將當前系統的各物理量利用數據圖予以顯示。隨著回采結束，圍巖變形速率顯著降低，在監測接近 尾聲時，圍巖變形量趨于穩定，變形速率在 0.01 mm/d 以內。這表明，采用優化后的巷道圍巖支護方案，可 以有效應對斷層作用下圍巖破碎、鄰近采面動壓影響， 圍巖控制取得了顯著的效果，可以確保巷道后續的使 用安全。

三、結束語

盤區運輸巷采用原支護方案圍巖變形較大，主要原因是掘進范圍內受 DF113、DF121和 DF1263條斷層影響，圍巖較為破碎，加之鄰近回采工作面采動動壓作 用，巷道原采用的架棚支護不能抵抗圍巖應力，造成 巷道斷面收縮量較大，給巷道正常使用帶來不利影響;|

a）針對巷道圍巖破碎及動壓影響，提出采取以錨注為核心的圍巖支護優化措施，支護后圍巖變形量控制在446 mm 以內，圍巖變形得以顯著控制，確保了巷道的使用安全;c） 巷道掘進至不受動壓影響且圍巖較為完整的區域時，可以繼續采取原支護措施。

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