PLC 变频调速系统在煤矿通风机中的应用

杨 璟

(阳泉煤业集团 机电动力部，山西 阳泉 045000)

阳煤一矿位于阳泉市西北20 km，井田面积83.6 km2，地质储量10.6 亿t，可采储量6.4 亿t.该矿井开采3#、12#、15#层煤，煤层平均厚度分别为1.56 m、1.24 m、4.20 m. 全矿共有5 个回风井，总进风量45 100 m3/min，总回风量为50 000 m3/min，绝对瓦斯涌出量165.76 m3/min，相对瓦斯涌出量14.05 m3/t，二氧化碳绝对涌出量9.94 m3/min，二氧化碳相对涌出量0.84 m3/t，为高瓦斯矿井。随着煤炭开采深度的增加，瓦斯浓度急剧增加，已成为威胁该矿井安全生产的主要因素。做好通风工作是处理瓦斯的主要措施，然而瓦斯浓度是一个变化的量，随着采掘工作中各因素的影响其浓度变化很大。因此，实现井下局部通风机电机随巷道内的瓦斯浓度实时调整，来控制巷道内的风量，从而达到控制瓦斯浓度的目的。PLC 是一种新型的控制装置，并且在各个行业的电气控制中运用已经相当广泛，其不仅能对复杂逻辑进行控制，还可以在各个控制中实现顺序与定时功能。本文将PLC 和变频器结合起来进行设计，以瓦斯浓度为控制参数来调节风机电机，实现风量的自动化控制，这样不仅实现了瓦斯的自动排放，而且还达到了节能的目的。

1 PLC 控制技术在矿井通风机中的应用

在以PLC 为基础的控制系统中，电路的开关动作基本上都是由半导体电路实现，PLC 在设计时考虑了其各种工作环境，保证在各种条件下都能可靠的工作。PLC 已经模块化与系列化，产品用户在使用时可以根据自身的要求对其进行灵活设置，硬件装置不再需要制作，使用时只需要设计程序即可满足不同要求。PLC 使用的是梯形图编程语言，与传统的接触器控制电路相似，容易掌握。其输入输出功能比较完善，不仅可以逻辑化控制大量开关，还可以进行各个电路的运算和控制。在输入输出方面，其可以很方便地与各种类型的接口连接。

变频调速技术可以根据要求来改变电源频率以达到改变电机转速的目的。通风机是煤矿设备的必要设备，且耗电量在所有的矿用电气设备中最大，因此，在矿用通风机上推广使用变频器对于节能的意义重大。将其运用到通风机上可以实现风机无极调速，根据生产要求实时调整风量，减少电能损耗。变频器还可以在风机启动时限制电流，减少峰值功率损耗，避免在电机启停时对设备的冲击，减少设备的损耗。变频器有很多的保护功能，对保证风机的安全运行有积极作用。PLC 与变频器结合使用，可以实现对井下通风系统的监控，减少了通风系统检修的工作量。

2 控制系统基本原理

系统结构示意图见图1.

图1 系统结构示意图

PLC 作为此系统的主控单元，局部通风机的电机作为此系统的被控单元，电机的运行为变频运行，控制参数为瓦斯的浓度。采用的PLC 的型号为FX2N-32M，以FX2N-4AD 作为A/D 模块，采用的变频器型号为FR-A540.

当瓦斯浓度变化时瓦斯传感器可以将信号通过A/D 传递给系统，并且通过PLC 进行分析运算把控制指令输送给变频器，这样就能实现电机转速的控制，从而实现了控制的最优化。此系统可以在工频和变频之间进行切换，在电机的变频器发生故障或者需要电机长时间工频运行时，系统可以自动将其转换至工频，此系统有手动与自动两种调节方式，手动方式下可以人为控制电机的启停等功能，从而提高电机的可控制性。

3 控制系统硬件电路

此PLC 系统硬件组成的电路见图2，I/O 地址表见表1.

图2 控制系统硬件电路示意图

表1 I/O 地址表

此系统可以使用手动方式来调节变频器的频率，也可通过变频器自带的功能来进行设置。

4 PLC 程序设计

本次设计的PLC 程序流程图见图3.

根据相关规程规定，在瓦斯浓度超过1.5%时需要排放瓦斯。因此，为了节能，在瓦斯浓度＜15%时，通风机提供的风量应该随着瓦斯浓度的变化而变化。本次设计的系统可以满足此要求。

此外，由于通风不仅要满足排放瓦斯的要求，还有除尘等要求，所以，根据需要设置电机的频率最小为25 Hz.

此装置使用了变频器上RH、RL 和RM 组合来控制通断，在瓦斯浓度变化时风机的转速可以转换进行调节，此程序设计了5 个级别的电机转速，其具体设计值见表2.

5 应用效果分析

图3 PLC 程序流程图

阳泉一矿风机技改前使用工频直接启动，启动电流大，产生的机械冲击对设备损伤严重，同时调节风量方式依赖于传统的风门，控制精度很低，造成设备损耗和能源浪费，从而导致设备使用寿命缩短，生产成本增加。为实现节能降耗，使用PLC 变频调速设备，风机由2 ×75 kW 异步电机拖动，运行一段时间后，经过整体情况和工频运行比较，将运行频率设定在30 Hz 单机运行就能满足供风量。使用变频器后在满足矿井通风质量前提下，根据公式:

表2 电机转速设计表

经估算，单机节电率为78.4%，可以看出通过变频器的使用，实现了节能降耗，降低了吨煤成本，提高了企业经济效益。

通过对矿井通风机消耗功率分析可知，改变变频器的频率，准确调节矿井通风机的风量，不仅可以实现瓦斯及时排放，保证了矿井通风的安全性，还可以节约电能。因此，变频器的运用能够达到矿井通风机安全、投资少、效益高、见效快的效果。

［1］ 徐益民，林海鹏，赵汗青.PLC 在矿井局部通风机变频调速系统中的应用［J］.煤矿机械，2004(12):131 -132.

［2］ 商 坤，王建军.变频调速在煤矿矿井通风机上的应用［J］.煤矿安全，2006(07):18 -20.

［3］ 徐碧云，孙 亮.自动化控制技术在煤矿通风系统中的应用［J］.华东科技，2014(10):387.

［4］ 左 毅，陈燎原，郑庆国.PLC 控制与变频技术在矿井通风机上的应用［J］.矿山机械，2008(07):11 -14.

［5］ 李 鹏.加强煤矿矿井通风安全技术措施探讨［J］.科技创新与应用，2014(28):120 -122.