变频调速通风机系统的PLC控制

刘伟

【摘 要】利用西门子S7-300系列PLC，结合变频器开发控制系统，实现对煤矿通风系统的精准控制。系统上位机利用台达触摸屏，系统控制算法利用主通风机风压与风量的关系实现PID控制，通过对变频器的控制，从而实现对通风量的实时动态调整，实现煤矿通风机的可靠、平稳运行。

【关键词】PLC;变频调速;通风机;变频器;触摸屏

在煤矿生产过程中，为了获得新鲜空气的补充，需要利用通风机进行空气循环，从而为井下提供安全的环境。通常，通风机运行环境条件比较差，并且需要长时间地工作，通风机功率较大，导致通风机出现故障。

针对上述通风机故障问题，本文提出了一种利用PLC、结合变频器实现的通风机变频控制系统，通过利用实时监测的通风机风量、风压等系统参数，经过系统软件计算以后对变频器转速进行调整，达到目前所需要的最优状态，在实现通风系统节能的同时降低系统的故障率。另外，通过上位机实现对系统当前状态的实时监控。

一、控制系统整体方案

本文设计的控制系统硬件主要包括 PLC、变频器、传感器、台达触摸屏等。控制系统核心部分采用西门 子 S7- 300系列 PLC;变频控制部分采用西门子 MM430 型号的变频器;另外，需要利用传感器对通风机的风 量、风压进行监测;为了实现人机交互控制，本文采 用台达触摸屏作为人机交界面互实现实时监控。PLC与变频器之间采用一路串口通信，PLC与触摸屏之间采用另一路串口通信。

（一）系统控制功能

1.手动控制。本文设计的控制系统同样设计有手动控制方式，在需要对旁路变频器进行人为控制运行时可以选择手动控制。手动控制需要在触摸屏进行设置，而且需要现场操作人员确认。触摸屏选择手动控制以后就会发送相应的信号到 PLC，PLC 与变频器进行通信实现运行、加速、减速、停止控制。

2.全自动控制。当系统选择为全自动运行方式时，PLC 根据现场通风机监测传感器监测到的实时信号，包括风压、风量信息，计算当前所需要的风量，并计算出当前通风机运行的速度，通过与变频器通信实现对变频器输出频率的调整。

3.系统自诊断。在投入使用之前，变频控制系统根据各部分传感器监测到的信号做出判断，当无法满足启动要求时，系统就会发出故障信号，同时在触摸屏显示故障内容，通知操作人员进行处理。

通风机转向  转速控制：

a）正反转控制。在正常工作状态下，通风机为正向旋转，实现矿井的通风;当系统监测到矿井发生火灾事故后，需要控制通风机反转，通过触摸屏与矿井中的火灾监测系统通信实现通风机转向的转换，同时在触摸屏显示当前通风机旋转方向。

b）瓦斯联动控制技術。矿井中的瓦斯浓度监测报警系统同样与触摸屏进行通信。当瓦斯浓度过高时， 报警系统发送信号，触摸屏发出转速提高信号，使矿 井通入的空气量增大，降低瓦斯的浓度，保证生产环 境安全。

（二）通风机变频调速原理

通风机电机为异步电机，因此其转速与供电电源频率间的关系可以用公式可以看出，改变通风机电机的转差率、电机极对数，或者改变通风机供电电源频率，都可以 使通风机转速改变。通常，改变电机的极对数及转差 率较为困难，改变供电电源频率比较容易实现，并且 可以实现平滑变化。

（三）PLC系统设计

本文设计的系统采用的控制器是西门子 S7- 300 系列 PLC，CPU 型号为 314IFC。PLC 与变频器通信采用串口通信，PLC 作为主机，变频器作为从机，PLC 将控制信号发送到变频器，变频器根据 PLC 发送的数据进行输出转速及转向的控制数据监测系统设计。

二、PLC 程序和触摸屏程序设计

系统通过各种传感器、变送器和辅助开关实现对现场信号的采集。根据系统实际指标、环境条件等来选择监测器件。西门子 S7- 300 系列 PLC 接收压力变送器测量的 4～20 mA 标准信号，经过程序运算后，输出对应变频器的频率控制信号，从而控制矿井道的通风量。传感器通过对应的变送器实现对压力、温度等标准信号的监测，然后通过西门子 S7- 300 系列 PLC 进行程序处理，实现对主通风机的有效控制。通风机轴 承温度、电机轴承温度的测量等，采用PT100 铂电阻和温度变送器，将温度信号转化为 4～20 mA 的电流信号;选用 0～30 mm 位移传感器测量轴承的水平振动和垂直振动，其输出信号为 4～20 mA 的标准电流信号; 选用负压传感器测量井下通风巷道负压的变化情况， 测量范围为 0～5 kPa;通过各辅助开关实现对开关量信号的采集。

系统程序设计：

（一）PLC 程序设计

通过PLC 输出的控制信号实现对变频器的控制，从而实现对通风机的控制。在手动控制模式下，通过触摸屏界面选择对应的控制按钮发送控制信号，实现对通风机加速、减速、停机等的控制。在全自动控制模式下PLC采用 PID控制算法。

利用 PLC 内部系统函数实现 PIE 控制，主要实现过程如下：

利用 BOOL 型输入参数 COM_RST 对 PID 进行重新启动，BOOL 型参数 MAN_ON 可以实现对 PIT 算法的手动复位，当该数值为 1 时，对应的输出值等于输入值。PID：CYCLE：TIME：PID 表示 PID 算法对输入信号的采样周期;GAIN 为实型数据，表示的是 PID 算法的比例增益;TI：PID 表示算法的积分时间参数;TD：PID 表示算法的微分时间参数。输出参数包括 LMN，是实型参数，表示的是 PID 算法的输出值。

（二）触摸屏程序设计

触摸屏主界面显示PLC当前监测数据，包括风机的风量、风压、轴温等数据;同时具有历史数据查询功 能，可以将当前系统的各物理量利用数据图予以显示。随着回采结束，围岩变形速率显著降低，在监测接近 尾声时，围岩变形量趋于稳定，变形速率在 0.01 mm/d 以内。这表明，采用优化后的巷道围岩支护方案，可 以有效应对断层作用下围岩破碎、邻近采面动压影响， 围岩控制取得了显著的效果，可以确保巷道后续的使 用安全。

三、结束语

盘区运输巷采用原支护方案围岩变形较大，主要原因是掘进范围内受 DF113、DF121和 DF1263条断层影响，围岩较为破碎，加之邻近回采工作面采动动压作 用，巷道原采用的架棚支护不能抵抗围岩应力，造成 巷道断面收缩量较大，给巷道正常使用带来不利影响;|

a）针对巷道围岩破碎及动压影响，提出采取以锚注为核心的围岩支护优化措施，支护后围岩变形量控制在446 mm 以内，围岩变形得以显著控制，确保了巷道的使用安全;c） 巷道掘进至不受动压影响且围岩较为完整的区域时，可以继续采取原支护措施。

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