煤矿主通风机通风控制系统的改造

赵晓晨

（唐山开滦赵各庄矿业有限公司机电科，河北 唐山 063101）

通风机在煤矿生产中承担着矿井通风的任务，是保障矿井安全的唯一通风设备，但是其对电能的需求非常大。据统计风机水泵类负载的耗电量占到了工业耗电量的1/2，但是其效率仅为40%-50%。运行时间长，耗电量低，具有很大的节能潜力。传统风机采用鼠笼式异步电机拖动，采用调节挡风板控制其风量的大小。这种控制方式虽然简单，但是经济性不佳。随着控制技术的发展，其运行可靠性不断增加，变频调速已成为工业生产中非常重要的调速手段，在节约能源和提高经济效益方面具有显著的作用。本文利用PLC和变频器对原有煤矿用通风机的控制系统进行了改造，对提高通风机系统的自动化水平，防止煤矿安全事故的发生具有重要的理论和实际意义。

1 主通风机变频调速系统

通风机变频调速系统利用触摸屏、PLC、变频器、主通风机以及传感器组成闭环控制系统。在变频调速系统中通风机的出风口处安装了压力传感器，根据检测到的传感器信号来判断通风情况，并且由PLC实现风机转速的调节，保证煤矿安全生产。其调控过程如图1所示。

通风系统可以采取操作台控制、上位机控制和就地控制三种不同的控制方式。启动时首先启动蝶阀和其辅助设备，当蝶阀开启到位且其辅助设备启动后启动变频器。风速的大小通过变频器来调节，无需蝶阀控制。

三种控制方式中操作台控制和就地控制主要用于系统的调试阶段，通风机正常运行时采用的是上位机控制方式。上位机控制方式有手动和自动两种不同的模式，变频器也可以分为单动和联动。煤矿正常运行时选择自动模式，这时只要点击启动按钮，整个通风机系统就会自动有序的运行，并且根据风量的大小，按照变频器给定的频率自动调节，使系统工作在最优状态。

2 控制系统的功能

未改造的煤矿用通风机系统中主通风机常采用旋式轴流通风机恒速运行，其运行过程中主通风机设计裕量大，通过人工调节挡板来控制风量，造成了电能的严重浪费。当设备出现故障时，会出现风流短路，严重影响矿井的安全。另外主通风机在启动过程中采取直接启动的方式，启动时间长、启动电流大，对电动机的绝缘性有很大影响，严重时甚至会烧毁电动机。

煤矿主通风机系统改造过程中中用PLC来控制变频器，采用变频调速的方式实现风机风压和风量的调节，这样不仅能够达到节电的效果，还能够提高整个通风系统的自动化程度。为了保证煤矿生产的安全性，主通风机控制系统要实现以下功能：

（1）能够实现手动、上位机和就地三种不同的控制模式；

（2）驱动主扇的电机要能够保证通风机的软启动，并且使其处于变频模式。当变频器出现故障时，要能够通过手动或者自动切换到工频模式。

（3）当煤矿内发生火灾等突变情况时，PLC能够迅速向变频器发送质量，驱动主通风机主扇电机反转，使风流反向流动。

（4）能够实现对风机运行参数和拖动电动机电气参数的检测，并且实现对通风机及其辅助设备的远程控制。

3 PLC控制系统的硬件和软件设计

目前市场上PLC的种类非常多，但其核心结构基本相同，都是由中央处理单元、存储器、输入和输出单元、I/O、外部设备和电源等几部分组成。

（1）硬件设计

这次设计中PLC选择了经济适用的S7-300系统，通过PLC的控制实现通风机系统中的高低压供电、风门位置以及通风机运行状态的监控。S7-300PLC通过控制低压变频器来实现风机系统的变频运行，PLC和变频器通过RS-485串行总线以MODBUS-RTU协议方式进行通信，实现对通风机电机运行数据和运行状态的采集，实现对变频器的实时控制。

在进行通风系统PLC改造时，首先要根据其控制系统的要求，配置相应的硬件，根据系统对I/O点数和信号性质的需求，最终确定其硬件型号。在S7-300PLC系统中，其模块总数超过了8块，所以除了中央机架外还需要配置相应的扩展机架和接口模块M。

图1 PLC控制的变频器示意图

在该PLC系统中配置了3块32点数字量输入模块、3块16点的数字输出模块、1块8路模拟量输入模块和1块4路模拟量输出模块。煤矿通风系统对控制系统的要求是72点数字输入量、41点数字输出量、4路模拟输入量和4路模拟输出量，故S7-300PLC完全能够满足使用要求。

（2）软件设计

通风机控制系统的PLC控制程序采用STEP7软件来编写。程序的任务是保证风机系统的正常运行，采用变频器控制电机进行切换以及辅助设备按照顺序进行启停和切换。当变频器产生故障时，切换柜切换到备用状态，但是通风机只有在切换柜的床用状态下才能进行自动切换。程序的编写过程中采用了模块化的设计，每个模块独自完成其特定的任务，用组织块主程序调用逻辑块程序的方式实现对整个系统的控制。逻辑块程序包括了高压柜控制程序、低压柜控制程序、1级风速运行程序、变频器控制程序以及变压器柜控制程序等。

结论

变频调速技术可以使通风机随着矿井对需风量的多少而变化，使通风机运行在最佳工况，变频调速系统一般采用PLC控制。通过PLC实现对煤矿主通风控制系统的改造，大大降低了电机的电压和电流，电机的输入功率明显减少，提高了风机的传动效率，具有操作方便，控制精度高，系统工作平稳等一系列优点。这次改造中采用了西门子S7-300PLC，以STEP7软件对煤矿主通风机控制系统进行了改造。

[1]郝根平.变频调速在风机节能中的应用[J].节能技术，2000（06）.

[2]付华，单亚锋，尹丽娜.自调整模糊控制在矿井局部通风机中的应用[J].