矿用风机智能变频节能远程控制系统

廖华

(湖南柿竹园有色金属有限责任公司， 湖南 郴州市 423037)

0 引言

自加入世贸组织以来，我国市场经济体制改革不断向前推进，市场亦不断对外开放，国内企业面临全球化的市场竞争日益加剧，多数企业都面临着利润下滑的处境，对此，企业采取开源节流的方法，一方面加强市场开拓，另一方面强化成本控制。

在企业的各项成本中，电费已成为紧随物料成本、人工成本之后的第三大项成本，特别是在工矿类高耗能企业中，电费已成为最主要的成本之一。同时，对大多数矿山企业而言，电费已是未被企业控制的最后一项成本，许多企业由于管理、工艺、技术等各方面原因，用电效率普遍偏低，节能潜力巨大，因此，通过技术手段来节能降耗、压缩成本、提高利润已经势在必行。

1 矿用风机现状

多金属风机智能变频节能远程控制系统的研究是结合湖南柿竹园有色金属有限责任公司多金属采矿场井下生产的实际案例进行的。多金属采矿场井下采用470,490两台250 kW主扇进行供风，为自耦降压启动方式，该方式启动瞬间冲击电流大，容易引起其他电气设备的损坏，存在安全隐患。结合公司对大型设备节能降耗的具体要求，特设计此项方案，以解决目前通风中存在的以下问题。

（1）能耗大。按照监管部门对于安全生产的要求，两台风机额定功率为 250 kW，合计功率为500 kW，经过现场实地测量，1号风机当前工作电流约为240 A，2号风机工作电流约为220 A，两台风机实际运行合计功率为 230 kW，主扇风机必须全天候24 h运行，能耗巨大。

（2）冲击大。两台主扇风机目前采用自耦降压启动方式启动，工频运行，启动时，启动瞬间冲击电流可达额定工作电流的 5～8倍，对设备线路及供电电网的冲击巨大，过载电流容易引发电气事故，埋下安全隐患。

（3）损耗大。主扇风机全天候24 h全速运行，磨损大，维护工作量大，维护频繁。

（4）无预警。风机只对电压电流等电气参数进行了监测，对于风机运行时的内部物理状态，包括电机前后轴轴温，定子温度，风机整体振动等参数没有进行在线监测，作为表征电机运行内部状态及故障风险评估的两个重要指标，如能加入到实时在线监测行列中，可在风机物理故障出现前提前实时预警，维护人员可依据预警参数，进行计划停机与有针对性的维护工作，防范于未然，既进一步提高风机运行的安全性，又杜绝意外突发事故。

2 总体方案

2台风机由目前的自耦降压启动方式改变为变频控制方式，增加2套变频设备，改造后年综合节能达30%以上；无冲击的平滑变频软启动方式启动电机，防止风机启动时的冲击电流危害电网。同时完全保留现有的2套降压启动装置，并且将2套设备作为新增加的变频装置的备用设备以并行联结方式留用，系统可通过切换开关装置现场切换或者自动切换，由变频方式可随时切换到降压启动方式。这样在变频装置出现故障时，降压启动装置可作为替补设备，马上接替变频设备工作，保证出现故障时不停机，不影响通风与生产。

硬件方面，加入电机轴温监测，定子温度监测与风机整体振动监测；软件方面，在变频控制功能的基础上增加远程降压启动功能，界面由变频软启动，手动变频调节，时间段自动变频控制，其他关联参数自动变频等功能，备用时的降压启动与正常状态下的变频软启动整合到一个软件界面中，软件自动区分当前的运行模式，并在界面上自动屏蔽非当前模式下的操作按钮。在配电硐室内部增加一套视频监控装置，监控配电柜与硐室内部的实时画面，如配电硐室内部发生突发情况，可在第一时间监控现场，采取对应的应急措施。

2.1 基本原理

风机是传送气体的机械设备，风机电机输出的轴功率为:

式中，Qf为流量；Hf为风压；ηf为风机效率；ηc为传动机构效率。

从流体力学原理得知，风机风量与电机转速相关。当风量减少，风机转速下降时，其电动机输入功率迅速降低。由风机的工作原理可知：风机的风量与风机的转速成正比，风机的风压与风机转速的平方成正比，风机的轴功率等于风量与风压的乘积，因此，风机的轴功率与风机电机转速的三次方成正比。

根据上述原理可知，改变风机的转速就可改变风机的功率：

从图1、图2来看，通过调节频率来调节风机的转速，节能效果非常显著。

2.2 详细设计

根据风机在井下的主要要求和情况，控制系统分为监控平台远程全自动控制模式、电控柜手动控制模式、本地操作柜手动控制模式。

（1）监控平台远程全自动控制模式。远程控制模式通过联网PC 计算机或移动手机自动发送外设控制指令，达到控制远程设备的目的。远程自动控制主要是为异地管理人员提供监控手段，通过人工判断和数据分析后，发送控制指令，以增强管理人员的能动性和干预能力。当电控箱本地/远程开关转换至远程位置，激活远程控制模式，在远程控制模式下，远程监控平台可以操作风机启动、停止，指定每台风机变频或工频运行方式，同时指定变频运行下的运行频率，监控风机的运行状态。当设备发生故障时，PLC控制风机自动在变频或工频下切换运行，保证风机的正常运行。

图1 流量与转速对应关系

图2 功率与转速对应关系

（2）电控柜手动控制模式。对控制系统增加手动控制模式，能及时对井下风机进行实时控制。只需电控箱本地/远程开关转换至本地位置，激活电控柜手动控制模式，在电控柜手动控制模式下，用户可在电控柜上控制每台风机的启动、停止，指定每台风机变频或工频运行，在此种模式下，变频器运行频率由远程监控平台或变频器操作面板给定。远程监控平台可以监控风机的运行状态，但不能操作风机。本模式多用于设备检修，在这种模式下，如果设备发生故障，需要手动切换运行模式。

（3）本地操作柜手动控制模式。风机不在同一作业平面时，就需要在风机本地安装一个操作柜。由于控制系统故障导致风机不能正常运行，当本地操作柜本地/远程开关转换至本地位置，电控箱本地/远程开关无论在本地还是远程位置，都会激活本地操作箱手动控制模式。在此种模式下，470风机只接受本地操作箱控制，但远程监控平台仍然可以监控所有风机运行状态，如果电控柜本地/远程开关处于远程位置，远程监控平台可以操作490风机，但不能操作470风机。在这种模式下，如果电控柜本地/远程开关处于本地位置，在电控柜上可以操作490风机，但不能操作470风机。本模式多用于设备检修，在这种模式下，如果设备发生故障，需要手动切换运行模式。

图3为系统框架控制原理图，在保留原有降压启动柜的同时，对 470，490风机都增加一套变频控制柜，通过PLC控制柜对变频控制柜进行指令的下发及状态的上传，保证风机能及时接收终端服务器指令及风机的运行状态能及时得到反馈，从而能更好地保护风机。

3 系统主要功能

主扇在线监控系统主要分为主扇控制部分、系统监测部分、故障检测及报警部分，而系统监测部分主要对风机系统设备运行状态和通风状态两部分进行监测，如图4所示。

（1）系统控制部分。系统的控制模式分为两部分：远程监控控制的全自动程序控制模式和本地控制模式。

在主回路的切换方面，为了更好地适应井下特殊情况下的运行，系统主回路之间可切换，即变频状态/降压启动状态切换。

在变频控制部分，针对风机各自特点和工作情况，变频柜的上电/断电，启动/停止都进行单独控制，并对风机运行变频时间段也进行控制。

图4 在线监控系统

（2）系统在线监测部分。监测部分主要针对环境参数、风机参数、电气参数、系统状态、视频监控几大方面进行监测。

（3）故障监测与预警。故障和预警主要针对变频器运行故障、电机所有电气参数故障、风机轴温过温、绕组过温、风机振动超限等情况进行监测与预警。

4 结论

通过对柿竹园多金属采场西口风机进行变频改造，现已建设完成和验收通过，并投入到实际应用中，取得了良好的应用效果。

（1）运行 1 a多来，每年为公司节约成本751 200元（一度电按0.5元计算）；同时减少了人工成本并使得人力得到了有效再次分配。

（2）风机智能变频节能远程控制系统的投入使用，为进一步打造智能矿山奠定了基础，积累了经验，培养了人才。

（3）通过风机的变频改造，解决了能耗高、维修量大的问题。