基于PLC的风机变频调速控制系统设计

中国质量认证中心 曹文燕

0 引言

对于传统风机控制方式，风机长期处于全功率下运行，为满足煤炭安全设计规程对矿井通风的要求，一般采用调节导叶角方式控制风量及风压，造成大量电能浪费。在煤炭生产过程中，对通风机的控制除电能存在浪费现象外，还存在一定的环境污染问题。一般煤矿采用抽出式通风方式，通风机将矿井巷道里的空气抽出，排放到大气中，其中必然包含大量的粉尘及甲烷、一氧化碳等大量可燃的有害气体，造成空气污染。鉴于以上问题，对煤矿通风系统的改造是很有必要的。并且目前煤矿矿井通风系统，大多仍采用继电、接触器控制系统，但这种控制系统存在着体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故障困难等很多的缺陷；且因工作通风机一直高速运行，备用通风机停止，不能轮休工作，易使工作通风机产生故障，降低使用寿命。

针对上述这一系列问题，本系统将PLC与变频器有机地结合起来，采用以矿井气压压力为主控参数，实现对电动机工作过程和运转速度的有效控制，使矿井中的通风机通风高效、安全，达到了明显的节能效果。PLC控制系统具有对驱动风机的电机过热保护、故障报警、机械故障报警和瓦斯浓度断电等功能特点，为煤矿矿井通风系统的节能技术改造提供一条新途径。

1 系统设计功能

本控制系统具有通风机组的启动、互锁和过热保护等功能。与常规继电器实施的通风系统相比，PLC系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点，PLC的控制功能使通风系统的自动化程度大大提高，减轻了岗位人员的劳动强度。PLC和变频器与空气压力传感器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。为满足矿井通风系统自动控制的要求，系统的具体设计要求如下：

（1）本系统提供手动/自动2种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功能。

（2）模拟量压力输入经PID运算，输出模拟量控制变频器。

（3）在自动方式下，当井下压力低于设定压力下限时，2组风机将同时投入工作运行，同时并发出指示和报警信号。

（4）模拟量瓦斯输入，当矿井瓦斯浓度大于设定报警上限时，发出指示和报警。当瓦斯浓度大于设定断电上限时，PLC将切断工作面和风机组电源，防止瓦斯爆炸。

（5）运用温度传感器测定风机组定子温度或轴承温度，当定子温度或轴承温度超过设定报警上线时，发出指示和报警信号。当定子温度或轴承温度超过设定风机组转换温度界线时，PLC将切断指示和报警信号并自动切断当前运行风机组，在自动方式下并能自动接入另一台风机组运行，若在手动方式下，工作人员手动切换[1]。

（6）为防止风机的疲劳运行，在任何状态下，风机在累计运行设定时间后都会自动切换至另一台风机组运行。

2 系统方案设计

2.1 系统整体设计

通风控制系统主要由2台风机组成，每台风机有2台电机，每台电机驱动一组扇片，2组扇片是对旋的，一组用于吸风，一组为增加风速，对井下进行供风。根据井下用风量的不同，采用不同型号的风机。本设计以风机2×45 kW为例，选用一台S72200 PLC、空气压力传感器和变频器等组成一个完整的闭环控制系统。其中还包括接触器、中间继电器、热继电器、矿用防爆型磁力启动器、断路器等系统保护电器，实现对电机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。本PLC控制系统具有对通风机的电动机启动与运行，进行监控、联锁和过热保护等功能。PLC与空气压力传感器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，提高了设备的运转率[2]。其控制系统方案设计图如图1所示。

图1 控制系统方案设计

为满足煤矿矿井通风系统自动控制的要求，设计如下的控制方案：本系统提供手动/自动2种工作模式，具有现场控制方式、状态显示以及故障报警等功能。

在手动方式下，通风机通过开关进行控制，不受矿井内气压的影响。为防止通风机疲劳运行，在任何状态下风机在累计运行设定时间后要切换至另一台风机运行。A组通风机与B组通风机可由二位开关转换。循环次数及定时时间可根据需要随机设定。报警信号均为声光形式，声报警（电笛）可用按钮解除，报警指示在故障排除后自动消失。

在自动方式下，利用远传空气压力传感器检测矿井内的气压信号，用变送器将现场信号变换成统一的标准信号（如4～20mA直流电流信号、0～5V直流电压信号等），送入A/D模块进行模数转换，然后送入PLC，PLC将检测到的气压值与设定的气压值进行比较和处理，输出信号控制通风机工作。当矿井内的气压在一个大气压或在设定的某个大气压力数值以上，工作通风机与备用通风机循环工作；当出现突发事故，矿井内的气压低于设定的某个大气压力数值，工作通风机与备用通风机不再循环工作，并自动切换为同时工作，加大对矿井内的通风量，直至矿井内的气压升至设定的大气压力数值以上，工作通风机与备用通风机恢复循环工作[3]。

在有瓦斯的矿井供风系统中，矿井内的瓦斯浓度传感器检测瓦斯浓度，用变送器将现场信号变换成统一的标准信号，送入A/D转换模块进行模式转换，然后送入PLC，同样PLC将检测到的数值与设定的数值进行比较，当瓦斯浓度大于设定数值后，PLC输出信号控制通风机停止工作，并输出信号自动切断井下的电源，满足风电联锁要求，以免电子火花点着瓦斯，防止瓦斯爆炸事故发生。

2.2 系统硬件设计

2.2.1 系统主电路

图2 I/O接线图

系统主电路由4台电动机，一台智能型电控柜（包括西门子变频器、PLC、交流接触器、继电器等），一套压力传感器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。该系统的核心是S7-200（CPU224）和M ICROMASTER430。M ICROMASTER 430是泵和风机类专用变频器，扩展功能强[4]。CPU224集成了14点输入10点输出，共有24点数字量I/O，其模拟量扩展模块具有较大的适应性和灵活性，且安装方便，满足设计需要。其系统主电路图分别如图2和图3所示。

图3 系统主电路

2.2.2 系统控制电路

如图4所示，Q0.0～Q0.7为PLC输出软继电器触点，其中Q0.0、Q0.2、Q0.4、Q0.6控制变频运行电路；Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7控制工频运行电路。SA为转换开关，实现手动、自动控制切换。当SA切在手动位时，通过SB1～SB4按钮分别起动4台水泵工频运行，SB5～SB8按钮分别停止4台风机工频运行。当SA在自动位时，由PLC控制水泵进行变频或工频状态的起动、切换、停止运行。

图4 系统控制电路

2.3 系统软件设计

该系统除部分为顺序控制外，从总体上来看具有随机离散控制的特点。控制系统软件结构的流程图如图5所示。设定由瓦斯浓度传感器传送来的瓦斯浓度值为D，用户设定不能超过的瓦斯浓度值为D0，气压传感器传来的压力为F1，用户要求的矿井内气压值为F2。

图5 系统总流程图

由图5可知，按下启动键后，首先检测是否手动，如果是则手动控制操作，否则就自动正常运行；接着检测矿井内瓦斯浓度值和大气压力值，进行处理判断。若D>D0，则通风机与矿井下供电电源联锁停止工作并报警，否则比较判断F1与F2的大小，若F1>F2，进入风机轮休控制子程序，启动A风机，A风机运行一定时间后，启动B组风机工作，A组风机停止。否则2台通风机同时参与工作。

3 总结

利用PLC变频器和风机通风系统进行节能技术改造，不仅简化了系统，提高了设备的可靠性和稳定性，设备的操作和维护方便，节省能耗，同时也大大地提高了煤矿生产的安全系数。另外还可以根据需要配置相应的通信模块，很方便地组成集散式控制系统，进行远程监控现场设备的运行状态，提高了企业的生产效率和经济效益，具有一定的推广价值。

[1]殷洪义．可编程控制器选择、设计与维护[M]．北京：机械工业出版社，2002．

[2]周九宁．可编程控制器在矿山设备中的应用[J]．采矿技术，2004，4（1）：45-46．

[3]彭桂力，刘知贵．集中供热锅炉控制系统的PLC控制[J]．电力自动化设备，2006（9）：75-77．

[4]马宁，孔红．S7-300PLC和MM 440变频器的原理与应用[M]．北京：机械工业出版社，2006．