变频技术在煤矿通风自动控制系统中的应用

黄睿

摘 要： 煤矿通风系统是煤矿安全生产的重要保障。在煤矿通风系统中应用了自动控制原理，并引入变频技术，对整个系统进行改造，设计出一套具有实用价值的方案。实现煤矿通风自动控制的同时大大节约了电能的消耗，为煤炭产业工控系统的改造提供借鉴。

关键词： 变频器； PLC； 通风系统； 自动控制

中图分类号： TD 63+5 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2016）03-0090-03

0 引 言

煤矿业在我国的国民经济中占有重要地位，其生产线的高效性和安全性是最主要的两个指标，而煤矿安全的重中之重就是煤矿通风[1]。煤矿通风系统是杜绝煤矿生产安全事故的重要保障。将自动化技术引入煤矿通风系统中，形成一套完整的自动控制体系，可以提高通风效率，提高安全系数，降低煤矿通风管理过程人力成本。而在此基础上，加入变频技术，就可以深度节约成本，优化自控系统，使得经济效益最大化，对促进煤炭产业的发展具有重要意义。

1 自控系统设计

由于井下煤矿实际需求，通风自控系统需要分为三个网络体系：管理层、控制层和现场层。管理层利用上位机组态对井下现场层实时监控，与控制层之间通过工业以太网实现信息数据的交换，达到远程控制的目的；控制层则通过主控制器直接对现场器件进行操作；现场层通过各器件采集数据，将信号直接上传。通风自控系统结构图如图1所示。

图1中，主控制器可以采集实时运行数据，与管理层的上位机交换数据，实现现场层设备的实时监控[2]。通风机相关设备、各类传感器和执行原件构成现场层的主要硬件系统，这些设备可以采集温度、通风量、通风压力和震动量等数据信息，控制端预置理想状态参数，系统可以自动调节通风量。

2 系统控制方式

本系统采用了工业控制领域中广泛应用的可编程控制器，即PLC[3]。相比单片机而言PLC具有抗干扰能力强、可靠性高、接口功能先进等诸多优点。PLC程序编写通俗易懂，尤其是梯形图程序，简洁直观，非常容易掌握，更适合现场技术工人使用。PLC的结构模块化，用户可以根据自己的需要进行改装、重组；模块化使外围电路大幅度化简，安装时更加简单。此外系统出现故障时，可以针对报错模块单独维修或更换，为系统的维护提供方便。PLC是实现机电一体化的理想控制设备[4]，具有超高的性价比，小巧轻便，低能耗，非常适合煤矿自动通风系统使用。

3 变频技术的应用

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备[5]。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：

n=60f（1-s）/p，

式中：n为转速；f为输入频率；s为电机转差率；p为电机磁极对数。通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

变频调速控制方式通常分为V/F控制、转差率控制、矢量控制和直接转矩控制四种，分别适用于不同场合。对于风机来说，通常采用V/F控制。V/F控制低频特性差，在电机低速运行时存在一定缺陷，但是由于风机不需要考虑负载问题，所以V/F控制完全适用，结构简单而且节能效果好。图2为引入变频调速后的节能对比结果。

图2中，H为风压；Q为风量；R为网管阻力；A为通风机的工作点。由图2可以看出，当以风量为被控量，通过控制风门开度，将风量减少一半时，网管阻力R随之改变，但是电动机的转速没有发生改变，H曲线不变。而变频调速可以降低转速，同样的风量改变条件下，H曲线大幅度改变。经过对比，图中的阴影面积即为节约的功率。

在已有硬件系统的基础之上，将原控制器并联变频控制设备，由变频器操控通风机，这样就形成了可以自动切换功能的工频、变频双回路操作系统。为了达到通风要求，由控制阀箱来撤销原来的风门，系统主控制器直接操控PLC。

远程监视功能由上位机组态和控制接口联网来实现；控制端由DCS 集控系统构成。在监控端通过微机主控平台启动主通风机中的任意一台电机，就可以对每一台电机的实时运行状况直接进行监视。自动化变频器在运行中产生输出频率，根据此频率可以在风机风量的自动调节控制下，通过手动和自动的方式设置变频柜的各类参数，频率与风量的自动闭环控制由此产生。自动性保护功能、运行指示功能、电源指示功能和频率显示功能以及过电流、过电压、过载、声光报警等功能通过改造均可以实现，当现场设备运行故障时，便可自动报警，并显示故障器件参数。

改造后的风量自控系统结构如图3所示。

系统中PLC作为控制核心，风量为被控量，变频器通过PLC发送的控制信号进行变频调速，通过不断测量实际风量与给定值的偏差，自动调整，直至消除偏差，达到稳定状态。

4 结束语

本文在日渐成熟的煤矿井下通风自动控制系统基础上，通过引入变频器，将系统改造、完善。不仅满足了系统的安全性、自动化，还在能源节约方面取得了成绩，既为煤矿高效安全生产提供了保障，也日后的研究提供一定的借鉴。

参考文献：

[1] 陈醉. 关于煤矿通风系统安全运行的相关影响因素的探讨[J]. 科技资讯，2012（22）：101.

[2] 陈蕊. 基于 PLC 的矿井主扇风机的监控系统设计[D]. 山西：太原理工大学，2012.

[3] 廖常初. PLC编程及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2002：179-181.

[4] FREY G，LITZ L. Formal methods in PLC programming[C]. IEEE International Conference，2000（4）：2431-2436.

[5] 魏强，沈沉. 空调末端控制系统自控元件的应用策略[J]. 制冷与空调，2012，12（3）：132-135.

Abstract： This thesis verifies the ventilation system of coal mine as a significant guarantee of coal mine work safety. A set of practical solutions have been presented as the modification of the system，based on the automatic control principle， as well as the introduced technology of frequency conversion. Realizing automatic control and greatly saving the energy consumption of coal mine ventilation simultaneously， the achievement can also be utilized to provide reference for coal industry transformation with the industrial control system.

Keywords： frequency converter； PLC； ventilation system； automatic control

（责任编辑：徐兴华）