通风机电气控制系统的改造

刘伟峰

（阳煤寺家庄有限责任公司机运部修配队， 山西 昔阳 045300）

1 某矿通风机运行现状分析

某煤矿属于高瓦斯矿井，在实际生产中所需通风量较大，其对应的耗电量也较大。目前，应用于工作面的通风设备主要有通风机和局部通风机。在设计前期，所选型通风机的容量较大，而且在实际生产过程中工作面瓦斯涌出量不均匀，加之工作面当前生产能力还未达到设计水平，导致通风机和局部通风机的通风能力存在极大的富裕量，从而导致大量电能的浪费。经现场测定可知，三条通风线路中通风机运行的最高效率仅为81%，最低效率仅为62%。而且，现场通风机系统不具备调速功能，综合与具备变频调速功能的通风机相比较，其耗能极为严重。因此，随着煤矿工作面的进一步推进，原通风系统及其电气控制系统已无法满足实际生产的需求，急需对原通风系统的电气控制系统进行改造。

2 通风机电气系统的改造方案

传统煤矿通风机控制的方式为继电- 接触控制系统，在该控制系统下通风机电机的转速恒定，仅通过调节风门的大小实现对风量的调节。当通风机系统在低负荷运行状态下运行时，会造成大量电能的浪费。因此，针对上述问题，本方案拟通过变频调速技术根据工作面负荷对通风机电机转速进行控制。

此外，传统煤矿缺乏对通风机运行状态监测的系统，使得工作人员无法精确、及时地掌握通风机的运行状态，影响通风机的维护效率，增加其维护成本。因此，本方案将为通风机运行设计一套在线监控系统。

综上所述，通风机电气控制系统总体改造设计思路如图1 所示。

2.1 通风机PLC 控制系统的改造

图1 通风机电气控制系统总体改造思路

本矿井通风系统所采用PLC 控制器的型号为S7-300。基于PLC 控制系统能够实现对通风机运行状态、电机轴承温度、风门位置等参数进行控制。为实现变频调速控制的功能，PLC 控制系统与变频调速控制系统之间基于MODBUS 通信协议实现通信[1-2]。基于PLC 控制器的选型结果，结合工作面工作环境特征，为其配置辅助元器件，如表1 所示。

表1 PLC 控制系统元器件选型

2.2 通风机变频调速系统的改造

变频调速控制系统配置的主要任务是完成变频器的选型。变频器选型时需综合考虑通风机的额定电流、通风机电机的额定电压与变频器的电压等级相符以及通风机的额定电流等[3]。综合分析，最终选择MM430 变频器其关键参数如下页表2 所示。

由于本通风系统含有两个通风机，每台通风机设有两台电机，故为通风系统配置四台可独立运行的变频器。由于上位机控制对变频器运行时需要采用RPOFIBUS-DP 协议，所以在本系统中采用DP 通讯端口。DP 通讯端口要求有纯净的输入特性、高功率的因素和稳定的正弦波输出等。PLC 控制器与变频器的连接示意如图2 所示。

表2 MM430 变频器关键参数

图2 变频器与PLC 控制器连接示意图

2.3 通风机监控系统的改造及传感器选型

为实现对通风机电机的精准控制，对现场设备的运行参数进行控制，需为通风机系统设计对应的监测系统并配置合理的传感器。通风机变频调速控制系统的监测系统由传感器、控制主机、信息交换组织和PLC 协议组成，可以实现井下的实时监控，为控制系统提供数据基础。监测系统采用PLC 技术，所以有精度高、抗干扰和稳定性高的优点。结合通风机电气控制系统的性能，为其配置如表2 所示的传感器。

表2 传感器参数

系统的监测系统主要是对井下通风数据和通风机运行状态的实时监测，包括井下的压力、有害气体浓度、风压和风量等。同时也对控制系统的各个硬件和软件运行状况进行监控，包括电机温度、控制后的风压风量和电机运行参数。监控系统采用触摸屏和计算机的状态软件来实现，同时具有存储和数据初步分析的功能，其功能结构图如下图3 所示。

图3 监测系统结构图

3 改造效果分析

3.1 经济效益

本文以三条通风线路中的某个通风机为例对其经济效益进行对比，对比结果如表3 所示：

表3 通风机电气控制系统改造前后经济效益对比

3.2 技术效益

经对工作面通风机电气系统改造后，实现对通风机的变频调速控制，可实现通风机的软启动，从而减小电流对工作面电网的冲击，延长工作面电气设备的使用寿命，减小其维护周期和费用；经改造后，可实现对通风机风量调节的自动化控制，且降低设备运行的噪声，改善工作环境。