礦用風(fēng)機(jī)智能變頻節(jié)能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

廖華

(湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司， 湖南 郴州市 423037)

0 引言

自加入世貿(mào)組織以來，我國市場經(jīng)濟(jì)體制改革不斷向前推進(jìn)，市場亦不斷對外開放，國內(nèi)企業(yè)面臨全球化的市場競爭日益加劇，多數(shù)企業(yè)都面臨著利潤下滑的處境，對此，企業(yè)采取開源節(jié)流的方法，一方面加強(qiáng)市場開拓，另一方面強(qiáng)化成本控制。

在企業(yè)的各項(xiàng)成本中，電費(fèi)已成為緊隨物料成本、人工成本之后的第三大項(xiàng)成本，特別是在工礦類高耗能企業(yè)中，電費(fèi)已成為最主要的成本之一。同時(shí)，對大多數(shù)礦山企業(yè)而言，電費(fèi)已是未被企業(yè)控制的最后一項(xiàng)成本，許多企業(yè)由于管理、工藝、技術(shù)等各方面原因，用電效率普遍偏低，節(jié)能潛力巨大，因此，通過技術(shù)手段來節(jié)能降耗、壓縮成本、提高利潤已經(jīng)勢在必行。

1 礦用風(fēng)機(jī)現(xiàn)狀

多金屬風(fēng)機(jī)智能變頻節(jié)能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究是結(jié)合湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司多金屬采礦場井下生產(chǎn)的實(shí)際案例進(jìn)行的。多金屬采礦場井下采用470,490兩臺250 kW主扇進(jìn)行供風(fēng)，為自耦降壓啟動方式，該方式啟動瞬間沖擊電流大，容易引起其他電氣設(shè)備的損壞，存在安全隱患。結(jié)合公司對大型設(shè)備節(jié)能降耗的具體要求，特設(shè)計(jì)此項(xiàng)方案，以解決目前通風(fēng)中存在的以下問題。

（1）能耗大。按照監(jiān)管部門對于安全生產(chǎn)的要求，兩臺風(fēng)機(jī)額定功率為 250 kW，合計(jì)功率為500 kW，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地測量，1號風(fēng)機(jī)當(dāng)前工作電流約為240 A，2號風(fēng)機(jī)工作電流約為220 A，兩臺風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行合計(jì)功率為 230 kW，主扇風(fēng)機(jī)必須全天候24 h運(yùn)行，能耗巨大。

（2）沖擊大。兩臺主扇風(fēng)機(jī)目前采用自耦降壓啟動方式啟動，工頻運(yùn)行，啟動時(shí)，啟動瞬間沖擊電流可達(dá)額定工作電流的 5～8倍，對設(shè)備線路及供電電網(wǎng)的沖擊巨大，過載電流容易引發(fā)電氣事故，埋下安全隱患。

（3）損耗大。主扇風(fēng)機(jī)全天候24 h全速運(yùn)行，磨損大，維護(hù)工作量大，維護(hù)頻繁。

（4）無預(yù)警。風(fēng)機(jī)只對電壓電流等電氣參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測，對于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部物理狀態(tài)，包括電機(jī)前后軸軸溫，定子溫度，風(fēng)機(jī)整體振動等參數(shù)沒有進(jìn)行在線監(jiān)測，作為表征電機(jī)運(yùn)行內(nèi)部狀態(tài)及故障風(fēng)險(xiǎn)評估的兩個(gè)重要指標(biāo)，如能加入到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測行列中，可在風(fēng)機(jī)物理故障出現(xiàn)前提前實(shí)時(shí)預(yù)警，維護(hù)人員可依據(jù)預(yù)警參數(shù)，進(jìn)行計(jì)劃停機(jī)與有針對性的維護(hù)工作，防范于未然，既進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全性，又杜絕意外突發(fā)事故。

2 總體方案

2臺風(fēng)機(jī)由目前的自耦降壓啟動方式改變?yōu)樽冾l控制方式，增加2套變頻設(shè)備，改造后年綜合節(jié)能達(dá)30%以上；無沖擊的平滑變頻軟啟動方式啟動電機(jī)，防止風(fēng)機(jī)啟動時(shí)的沖擊電流危害電網(wǎng)。同時(shí)完全保留現(xiàn)有的2套降壓啟動裝置，并且將2套設(shè)備作為新增加的變頻裝置的備用設(shè)備以并行聯(lián)結(jié)方式留用，系統(tǒng)可通過切換開關(guān)裝置現(xiàn)場切換或者自動切換，由變頻方式可隨時(shí)切換到降壓啟動方式。這樣在變頻裝置出現(xiàn)故障時(shí)，降壓啟動裝置可作為替補(bǔ)設(shè)備，馬上接替變頻設(shè)備工作，保證出現(xiàn)故障時(shí)不停機(jī)，不影響通風(fēng)與生產(chǎn)。

硬件方面，加入電機(jī)軸溫監(jiān)測，定子溫度監(jiān)測與風(fēng)機(jī)整體振動監(jiān)測；軟件方面，在變頻控制功能的基礎(chǔ)上增加遠(yuǎn)程降壓啟動功能，界面由變頻軟啟動，手動變頻調(diào)節(jié)，時(shí)間段自動變頻控制，其他關(guān)聯(lián)參數(shù)自動變頻等功能，備用時(shí)的降壓啟動與正常狀態(tài)下的變頻軟啟動整合到一個(gè)軟件界面中，軟件自動區(qū)分當(dāng)前的運(yùn)行模式，并在界面上自動屏蔽非當(dāng)前模式下的操作按鈕。在配電硐室內(nèi)部增加一套視頻監(jiān)控裝置，監(jiān)控配電柜與硐室內(nèi)部的實(shí)時(shí)畫面，如配電硐室內(nèi)部發(fā)生突發(fā)情況，可在第一時(shí)間監(jiān)控現(xiàn)場，采取對應(yīng)的應(yīng)急措施。

2.1 基本原理

風(fēng)機(jī)是傳送氣體的機(jī)械設(shè)備，風(fēng)機(jī)電機(jī)輸出的軸功率為:

式中，Qf為流量；Hf為風(fēng)壓；ηf為風(fēng)機(jī)效率；ηc為傳動機(jī)構(gòu)效率。

從流體力學(xué)原理得知，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)。當(dāng)風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其電動機(jī)輸入功率迅速降低。由風(fēng)機(jī)的工作原理可知：風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比，風(fēng)機(jī)的軸功率等于風(fēng)量與風(fēng)壓的乘積，因此，風(fēng)機(jī)的軸功率與風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

根據(jù)上述原理可知，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可改變風(fēng)機(jī)的功率：

從圖1、圖2來看，通過調(diào)節(jié)頻率來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，節(jié)能效果非常顯著。

2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)機(jī)在井下的主要要求和情況，控制系統(tǒng)分為監(jiān)控平臺遠(yuǎn)程全自動控制模式、電控柜手動控制模式、本地操作柜手動控制模式。

（1）監(jiān)控平臺遠(yuǎn)程全自動控制模式。遠(yuǎn)程控制模式通過聯(lián)網(wǎng)PC 計(jì)算機(jī)或移動手機(jī)自動發(fā)送外設(shè)控制指令，達(dá)到控制遠(yuǎn)程設(shè)備的目的。遠(yuǎn)程自動控制主要是為異地管理人員提供監(jiān)控手段，通過人工判斷和數(shù)據(jù)分析后，發(fā)送控制指令，以增強(qiáng)管理人員的能動性和干預(yù)能力。當(dāng)電控箱本地/遠(yuǎn)程開關(guān)轉(zhuǎn)換至遠(yuǎn)程位置，激活遠(yuǎn)程控制模式，在遠(yuǎn)程控制模式下，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺可以操作風(fēng)機(jī)啟動、停止，指定每臺風(fēng)機(jī)變頻或工頻運(yùn)行方式，同時(shí)指定變頻運(yùn)行下的運(yùn)行頻率，監(jiān)控風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，PLC控制風(fēng)機(jī)自動在變頻或工頻下切換運(yùn)行，保證風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

圖1 流量與轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系

圖2 功率與轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系

（2）電控柜手動控制模式。對控制系統(tǒng)增加手動控制模式，能及時(shí)對井下風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。只需電控箱本地/遠(yuǎn)程開關(guān)轉(zhuǎn)換至本地位置，激活電控柜手動控制模式，在電控柜手動控制模式下，用戶可在電控柜上控制每臺風(fēng)機(jī)的啟動、停止，指定每臺風(fēng)機(jī)變頻或工頻運(yùn)行，在此種模式下，變頻器運(yùn)行頻率由遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺或變頻器操作面板給定。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺可以監(jiān)控風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，但不能操作風(fēng)機(jī)。本模式多用于設(shè)備檢修，在這種模式下，如果設(shè)備發(fā)生故障，需要手動切換運(yùn)行模式。

（3）本地操作柜手動控制模式。風(fēng)機(jī)不在同一作業(yè)平面時(shí)，就需要在風(fēng)機(jī)本地安裝一個(gè)操作柜。由于控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)行，當(dāng)本地操作柜本地/遠(yuǎn)程開關(guān)轉(zhuǎn)換至本地位置，電控箱本地/遠(yuǎn)程開關(guān)無論在本地還是遠(yuǎn)程位置，都會激活本地操作箱手動控制模式。在此種模式下，470風(fēng)機(jī)只接受本地操作箱控制，但遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺仍然可以監(jiān)控所有風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，如果電控柜本地/遠(yuǎn)程開關(guān)處于遠(yuǎn)程位置，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺可以操作490風(fēng)機(jī)，但不能操作470風(fēng)機(jī)。在這種模式下，如果電控柜本地/遠(yuǎn)程開關(guān)處于本地位置，在電控柜上可以操作490風(fēng)機(jī)，但不能操作470風(fēng)機(jī)。本模式多用于設(shè)備檢修，在這種模式下，如果設(shè)備發(fā)生故障，需要手動切換運(yùn)行模式。

圖3為系統(tǒng)框架控制原理圖，在保留原有降壓啟動柜的同時(shí)，對 470，490風(fēng)機(jī)都增加一套變頻控制柜，通過PLC控制柜對變頻控制柜進(jìn)行指令的下發(fā)及狀態(tài)的上傳，保證風(fēng)機(jī)能及時(shí)接收終端服務(wù)器指令及風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)能及時(shí)得到反饋，從而能更好地保護(hù)風(fēng)機(jī)。

3 系統(tǒng)主要功能

主扇在線監(jiān)控系統(tǒng)主要分為主扇控制部分、系統(tǒng)監(jiān)測部分、故障檢測及報(bào)警部分，而系統(tǒng)監(jiān)測部分主要對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和通風(fēng)狀態(tài)兩部分進(jìn)行監(jiān)測，如圖4所示。

（1）系統(tǒng)控制部分。系統(tǒng)的控制模式分為兩部分：遠(yuǎn)程監(jiān)控控制的全自動程序控制模式和本地控制模式。

在主回路的切換方面，為了更好地適應(yīng)井下特殊情況下的運(yùn)行，系統(tǒng)主回路之間可切換，即變頻狀態(tài)/降壓啟動狀態(tài)切換。

在變頻控制部分，針對風(fēng)機(jī)各自特點(diǎn)和工作情況，變頻柜的上電/斷電，啟動/停止都進(jìn)行單獨(dú)控制，并對風(fēng)機(jī)運(yùn)行變頻時(shí)間段也進(jìn)行控制。

圖4 在線監(jiān)控系統(tǒng)

（2）系統(tǒng)在線監(jiān)測部分。監(jiān)測部分主要針對環(huán)境參數(shù)、風(fēng)機(jī)參數(shù)、電氣參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)、視頻監(jiān)控幾大方面進(jìn)行監(jiān)測。

（3）故障監(jiān)測與預(yù)警。故障和預(yù)警主要針對變頻器運(yùn)行故障、電機(jī)所有電氣參數(shù)故障、風(fēng)機(jī)軸溫過溫、繞組過溫、風(fēng)機(jī)振動超限等情況進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)警。

4 結(jié)論

通過對柿竹園多金屬采場西口風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，現(xiàn)已建設(shè)完成和驗(yàn)收通過，并投入到實(shí)際應(yīng)用中，取得了良好的應(yīng)用效果。

（1）運(yùn)行 1 a多來，每年為公司節(jié)約成本751 200元（一度電按0.5元計(jì)算）；同時(shí)減少了人工成本并使得人力得到了有效再次分配。

（2）風(fēng)機(jī)智能變頻節(jié)能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的投入使用，為進(jìn)一步打造智能礦山奠定了基礎(chǔ)，積累了經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了人才。

（3）通過風(fēng)機(jī)的變頻改造，解決了能耗高、維修量大的問題。