基于PLC 的变频调速控制系统在生辉矿井主通风机上的设计应用

赵宪东

（山西临汾西山生辉煤业有限公司， 山西 临汾 041000）

矿井主通风机素有矿井肺腑之称，通风机的安全稳定运行是保证矿井安全生产的重要手段。通风机的主要功能是负责向煤矿井下输送新鲜风流、排出粉尘和有毒有害气体。由于煤矿井下的生产环境恶劣，一旦发生主通风机的运行故障，会对矿井的安全生产造成严重的威胁。保证矿井主通风机的安全稳定运行是矿井安全、高效开采的基础。

随着，变频调速技术也煤矿机电设备的应用推广，为了实现对矿井风量的有效调节，保证主通风机的运行平稳。生辉矿采用基于PLC 的变频调速技术对矿井的主通风机进行技术改造，实践取得良好效果，就统计年节约电费支出约60 万元，同时变频调速技术在主通风机的应用还大幅提升煤矿的智能化、自动化生产水平，体现出节能降耗效果，具有显著的社会与经济效益。

2 矿井主通风机变频调速系统的设计方案

2.1 变频调速技术的技术优势

结合生辉矿的工程实际，对主通风机变频调速技术的总体方案进行了设计。根据交流电源频率与转速之间存在相对应关系，通过调节电源频率从而实现改变电机转速，达到变频调速的目标。通风机作为矿井的重要电能消耗设备，采用变频调速技术对主通风机进行技术改造可有效调节风量、提升工作效率、节约电能，同时变频调速技术具有：调节速度范围大，转速控制精度高。启动电流低，对整个系统及电网不会造成冲击，节点效果明显。调节速度时系统平滑性好，效率高；低速时，静关率较高，稳定性好。变频设备体积小，便于安装与维修。

2.2 变频设计架构

山西临汾西山生辉煤业有限公司（以下简称生辉矿）结合矿井实际生产地质条件，对矿井主通风机变频调速系统进行总体方案设计，系统的总体设计架构如图1 所示。该系统主要包括硬件和软件两大部分，设计了2 台PLC 变频器，通过瓦斯传感器对监测区域瓦斯浓度数值的采集，到达模拟量的信号传递目的，以实现通风机变频调速控制、自动切换和智能化监控。

图1 矿井主通风机变频调速系统架图

由图1 可知：变频控制系统的瓦斯传感器R0、R1和压力传感器R2分别对井下掘进工作面、回风巷及局部通风机处的瓦斯浓度进行采集，将采集的数据传输至A/D 转化器进行信号转换，再传输至PLC 变频器中，转换为可进行处理的数字信号，与系统内部设置的断电瓦斯浓度值进行比较分析，确定其是否断电。其中，矿井采掘进工作面采集的信号经过A/D转化、PLC 处理与其内部设置的临界瓦斯浓度值相比较，通过对比分析后，PLC 变频器发出信号驱动通风机运转，实现对通风机风量的变频调速。在运行过程中，可实现自动切换控制主通风机的运行，同时，监控系统会对瓦斯的浓度进行实时动态监测，当瓦斯浓度超限报警、变频器故障报警和通风机系统故障报警等预警提示，由此保证矿井主通风机的安全稳定运行。

3 变频调速系统的设备选型设计

3.1 变频器的设备选型

针对矿井主通风机的实际工况，变频器需满足50 Hz 或60 Hz 的工频电源转换成各种频率的交流电，达到电机变速运行要求。因此变频器在设备选型时，应特别注意：根据具体工程需要，确定变频器的控制方式是恒压控制还是恒流控制。确定变频器的负载类型，注意负载特性曲线。控制高速电机，选择容量稍大的变频器。控制长期低速运转的电机，变频器选择加大变速比方式，使电机在较高频率下工作，等事项。

生辉矿通过调研，选择了Siemens Gl20 型变频器，该变频器具有很强的控制能力、信息交流能力和安全保护能力，其具体技术参数如表1 所示。

表1 Siemens Gl20 西门子变频器参数表

3.2 PLC 控制器的选型

PLC 控制技术是以继电器接触控制技术基础，以微处理器为核心发展起来的工业控制装置，PLC结构主要由存储器、微处理器和电源等组成，结构示意图如图2 所示，其按照控制规律可分为小型、中型和大型机器，其中输入/输出总点数在256 点以下为小型机，总点数在256～1 024 之间为中型机，总点数大于1 024 为大型机[1-3]，PLC 具有如下特征：

1）PLC 技术可靠性高，具有较强的抗干扰能力。

2）采用梯形图进行编程，编程简单易学。

3）PLC 控制技术功能繁多，配套使用模板齐全，使用方便。

4）接线简单，维护方便，一般设计周期较短。

5）PLC 体积小，结构紧凑，质量轻，耗能低。

根据PLC 控制器具有的特征，结合生辉矿井生产地质条件，矿井主通风机控制器选型原则有三点：一是选用功能齐全，性能稳定的；二是根据主通风机使用环境、维修率选择PLC 的结构形式；三是根据矿井通风机通风网络系统选择高、低档位机器。通过调研最终选用西门子S7-200 系列的PLC 控制器。

图2 PLC 基本机构组成示意图

3.3 瓦斯浓度传感器选型与安装

瓦斯浓度传感器主要用于监测工作面回风巷、掘进工作面和局部通风机附近的瓦斯浓度，其安装位置对于根据矿井通风系统监测精度有重要影响。

针对生辉矿的瓦斯分布情况和涌出特性，瓦斯浓度传感器应选择主动连续进行瓦斯监测敏感型传感器，根据现场调研发现KG9701 型低浓度沼气传感器，具有瓦斯主动连续检测特性，性能可靠、具有较强的抗干扰能力。此外该传感器自带电子显示屏，可时时显示监测处瓦斯浓度值，并与传感器系统内部设置的瓦斯浓度临界值相比较分析，进而准确及时地发出报警提示。其主要性能参数如表2 所示。

表2 KG9701 型瓦斯传感器技术参数

生辉矿结合实际工程条件，瓦斯传感器R0安装在掘巷工作面端口5 m 处，在回风巷安装瓦斯传感器R1，在进风巷局部通风机出口末端安装压力传感器R2，瓦斯传感器的安装示意图如图3 所示。

图3 瓦斯传感器安装示意图

4 变频调速系统主要控制程序设计

变频调速系统主要由主控程序、A/D 转化程序、瓦斯浓度采集程序构成，彼此相互配合，以实现对矿井主通风机的自动化和智能化监控。

4.1 主控程序设计

主控程序作为矿井通风机变频调速系统的核心程序，对于控制程序的调用及相应功能的运行起重要作用。通过主控程序的指令传输，实现对井下瓦斯浓度的检测、报警和风机通风量调节。具体流程如图4 所示。

图4 主控程序流程图

4.2 A/D 转化程序设计

A/D 转化程序是将传感器采集的信息进行信号转化，并与程序内部设置的断电瓦斯浓度值进行比较分析，实现对EM255 元件连接情况及是否进行断电控制判断。

4.3 瓦斯浓度采集程序设计

瓦斯浓度采集程序是对矿井瓦斯主要来源处及瓦斯浓度重点监测点进行瓦斯浓度采集的精准性程序，通过该程序的使用，不仅使变频调速系统对通风机及时的进行调速控制，而且做到对掘进工作面瓦斯浓度时时监测采集，并进行瓦斯浓度平均值的计算，使煤矿更好地掌握井下的瓦斯浓度变化值。

5 结语

生辉矿设计的矿井主通风机变频调速系统可有效地控制风机风量，实现对井下瓦斯浓度的监测、计算、报警及控制等功能，其在通风机上的应用，大大增强了矿用通风机通风量的智能化监测精度，提高了通风机的通风效果和井下作业安全，达到节能降耗的目的。