礦山通風(fēng)機數(shù)字化PLC工變頻控制方案

1、風(fēng)機PLC變頻控制系統(tǒng)方案一、系統(tǒng)概述 煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦礦井安全生產(chǎn)的重要組成部分,煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)能否正常工作與礦井內(nèi)工作環(huán)境條件、生產(chǎn)效率、安全生產(chǎn)密切相關(guān)。主扇風(fēng)機是通風(fēng)系統(tǒng)的主要組成部分，是礦山主要動力設(shè)備之一，要求24小時連續(xù)運行，并且必須安裝兩臺同型號風(fēng)機，一臺工作，一臺備用。備用風(fēng)機必須能在10min內(nèi)正常啟動。作為機械化程度不高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)地方煤礦，主扇風(fēng)機的耗電量約占全礦總電耗的20-40%，隨著礦井的延深，生產(chǎn)規(guī)模的擴大，耗電量還將進(jìn)一步增大。目前在煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)中 ,大多仍采用繼電接觸器控制系統(tǒng) ,但這種控制系統(tǒng)存在著體積大、機械觸點多、接線復(fù)雜、可靠性低、排除故障困難

2、等很多的缺陷。針對這一系列問題，本系統(tǒng)采用可靠性高的PLC、變頻器對系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高了風(fēng)機運行的穩(wěn)定性和安全性、節(jié)約了能源。本系統(tǒng)以PLC為控制核心，采用先進(jìn)、可靠的傳感器和信號檢測裝置實現(xiàn)對主扇風(fēng)機的變頻控制，對煤礦的安全生產(chǎn)將起到十分重大的作用。二、主扇風(fēng)機運行現(xiàn)狀及改造思路為了降低煤礦生產(chǎn)成本，滿足生產(chǎn)需要，又適應(yīng)擴大再生產(chǎn)的要求，必須對新風(fēng)機進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，現(xiàn)有的風(fēng)機調(diào)節(jié)措施有以下幾種：1 節(jié)流調(diào)節(jié)就是利用調(diào)整閘板的開度而改變流量的調(diào)節(jié)法。這種方法最簡單，但對軸流風(fēng)機的運行穩(wěn)定性影響很大，并有可能出現(xiàn)“喘振”現(xiàn)象，更談不上節(jié)能要求。2 更換、削短葉片及改變?nèi)~片角度調(diào)節(jié)削短葉片或頻繁更換

3、葉片對小型礦山來說是不現(xiàn)實的，而改變?nèi)~片角度調(diào)節(jié)風(fēng)量的范圍受到一定限制，滿足不了煤礦風(fēng)機能大范圍調(diào)節(jié)的要求。3 改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)變速調(diào)節(jié)，風(fēng)量的減少是靠降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速而使風(fēng)機壓力特性降低來達(dá)到的，調(diào)節(jié)范圍可達(dá)20%-100，流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：n2 /n1 = Q2 / Q1這種調(diào)節(jié)方法沒有附加阻力而引起的能量消耗，所以效率較高，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)又分為幾種：(1)選用變速電機，0風(fēng)機選用四極電機，額定電流達(dá)左右，用變速電機是不可能的。(2)采用大范圍減速裝置傳動，這種方法雖可變速，但電機并不節(jié)能，并且整機效率降低，更滿足不了靈活、調(diào)速之要求。(3)固定電阻調(diào)速，風(fēng)機選用的是鼠籠式異步電機，更換繞線式電機需更

4、大投資，外加固定電阻器，雖然滿足調(diào)速要求，但電能過多的消耗在固定電阻上，不能節(jié)能，更談不上節(jié)約投資，并且整套設(shè)備龐大，技術(shù)落后。(4)變頻調(diào)速，交流變頻調(diào)速是上世紀(jì)末迅速發(fā)展起來的一種新型電力傳動調(diào)速技術(shù)，由于它是通過改變電源頻率而調(diào)速，所以無需改造風(fēng)機的機械部分，是鼠籠式電機調(diào)速效率最高的一種方式。變頻調(diào)速作為一種新型的電力調(diào)速裝置，已成熟地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個方面。它不但技術(shù)先進(jìn)，調(diào)速平穩(wěn)，啟動容易，節(jié)能效果顯著，而且容易操作，維護(hù)簡單，而且保護(hù)功能齊全，與原控制系統(tǒng)互為備用，可方便的實現(xiàn)變頻/工頻切換。另外，利用我們山東科技大學(xué)雄厚的技術(shù)力量，將兩臺風(fēng)機、四臺電機用一套變頻裝置集中控制，

5、既保證了礦山生產(chǎn)的安全，降低了生產(chǎn)成本，也大大提高了礦山的自動化水平。風(fēng)機變頻調(diào)速裝置的工作原理：對于交流電動機，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比n=60f(1-S)/p S為轉(zhuǎn)差率，為電機磁極對數(shù)，連續(xù)調(diào)節(jié)電源的頻率，便能方便地改變電機轉(zhuǎn)速，并實現(xiàn)無級調(diào)速（平滑調(diào)速）整個變頻調(diào)速裝置由電源控制柜、半導(dǎo)體電子元器件構(gòu)成的電力變換器和三相交流電流機組成。由于轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，而電機功率與轉(zhuǎn)速n的立方成正比，即n f 、n3，所以能實現(xiàn)f-n-P的動態(tài)匹配，自動調(diào)節(jié)能耗，達(dá)到節(jié)約用電的目的，而整個電子調(diào)頻裝置的耗能可以忽略不計。風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能原理：對風(fēng)機進(jìn)行調(diào)速控制屬于減少空氣動力節(jié)能方法，比常用的調(diào)節(jié)

6、風(fēng)門開度控制風(fēng)量的方式有著明顯的節(jié)電效果，主要利用風(fēng)機的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比原理。在保證礦井通風(fēng)可靠性基礎(chǔ)上，系統(tǒng)節(jié)能效果預(yù)計可達(dá)50%；井下六組局部扇風(fēng)設(shè)備進(jìn)行智能化工、變頻技術(shù)改造，采用先進(jìn)、可靠的監(jiān)控基站和防爆變頻裝置實現(xiàn)對局部通風(fēng)機的智能控制，系統(tǒng)運行節(jié)能率可達(dá)30%。風(fēng)機采用變頻調(diào)速器的特點：a節(jié)電效果明顯：據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)推算，以極4電機現(xiàn)階段以20HZ、5r/min轉(zhuǎn)速左右運行，電機實際功率是P2=P1*N23/N13=45*5803/14503=2.88KW，理論節(jié)電可達(dá)93%！我們安保守計算(節(jié)電60%), 變頻改造后，日節(jié)電可達(dá)650h，年節(jié)電約為23.4萬KWh，（工頻運

7、行日用電為Wh，年耗電量為.9萬h）。b調(diào)速范圍廣變頻調(diào)速可方便的在f=10-50HZ范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，能可靠地運行于煤礦擴大再生產(chǎn)的全過程，操作簡單，傳動效率可達(dá)以上，功率因數(shù)不低于0.95，壽命長，故障率低，并可有效減小風(fēng)機機械磨損。c振動小，噪聲低，延長設(shè)備壽命，改善工作環(huán)境因為是無級調(diào)速，設(shè)備運行平穩(wěn)，速度低，電控系統(tǒng)基本上是無噪聲運行，風(fēng)機噪聲又隨速度成正比降低，所以整套風(fēng)機系統(tǒng)噪聲會大大降低；同時設(shè)備平穩(wěn)啟動、停止，風(fēng)機使用壽命明顯延長，系統(tǒng)故障率明顯降低。d起動性能優(yōu)良使用變頻運行，司機只要按動按鈕就可實現(xiàn)風(fēng)機軟起動。省略了司機繁鎖的操作程序，消除了電機起動對電網(wǎng)的強大沖擊影響。e

8、可進(jìn)行工頻變頻切換，原電控系統(tǒng)與改造后電控系統(tǒng)互為備用，提高了風(fēng)機運行的可靠性。f兩臺風(fēng)機可共用一套變頻裝置，靈活切換。通過以上分析可知，煤礦風(fēng)機電控調(diào)節(jié)方式最優(yōu)方案是：采用變頻調(diào)速裝置。三、系統(tǒng)方案1 方案概述本系統(tǒng)以PLC為控制核心，通過傳感器等檢測裝置將電動機定子溫度以及風(fēng)機軸承溫度、負(fù)壓、風(fēng)量等輸入量（模擬量）傳送給PLC，然后PLC通過D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出控制變頻調(diào)速器的速度指令使變頻器帶動風(fēng)機按一定的速度運轉(zhuǎn)。圖1為PLC系統(tǒng)模塊圖。本系統(tǒng)中的兩臺風(fēng)機是由四臺132KW的三相電動機帶動的，風(fēng)機和電動機軸承、定子上都裝有溫度傳感器，當(dāng)出現(xiàn)溫度過高的情況時，將信號傳給PLC，PLC發(fā)出報

9、警信號。三刀雙擲開關(guān)QS1和QS2是工、變頻轉(zhuǎn)換開關(guān)，QS1合上以后風(fēng)機進(jìn)入變頻運行，QS2合上以后風(fēng)機進(jìn)入工頻運行，圖2所示。當(dāng)風(fēng)機工頻運行時，PLC控制KM1是閉合的，KM2是斷開的，當(dāng)風(fēng)機軸承或者電機定子溫度過高時，傳感器將信息傳給PLC，報警，PLC控制KM1斷開，KM2閉合，備用風(fēng)機啟動運行；當(dāng)風(fēng)機變頻運行時，KM3是閉合的，KM4是斷開的，同樣，當(dāng)PLC接受到溫度傳感器發(fā)來的信息時，發(fā)出報警信號，并斷開KM3，接通KM4，備用風(fēng)機啟動運行。圖1系統(tǒng)模塊圖圖2風(fēng)機變頻控制系統(tǒng)方案圖2系統(tǒng)軟件組成PLC控制方案和程序流程圖圖3 PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4風(fēng)機變頻控制系統(tǒng)流程圖本系統(tǒng)軟件部分由

10、V4.0 STEP 7 MicroWIN實現(xiàn)，完成了串車各種情況的巡檢和控制。其控制流程圖如上?？刂屏鞒虨椋合到y(tǒng)初始化開始，系統(tǒng)模塊進(jìn)行自檢，如果系統(tǒng)中有模塊出現(xiàn)問題，系統(tǒng)將不能開啟，不能進(jìn)行下一步操作，檢查系統(tǒng)模塊，解決問題，系統(tǒng)各模塊均正常以后，設(shè)定風(fēng)機軸承、電機定子溫度、負(fù)壓以及風(fēng)量參數(shù)，將設(shè)定值輸入給PLC，根據(jù)現(xiàn)場情況選擇風(fēng)機運行方式，工頻和變頻。選擇工頻運行：風(fēng)機啟動運行，通過風(fēng)機軸承、電機定子和軸承溫度傳感器將風(fēng)機軸承和電機定子的溫度傳送到PLC中，和設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)行參數(shù)檢測，如果沒有出現(xiàn)故障即各溫度參數(shù)沒超過參數(shù)上限時，系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行參數(shù)檢測，當(dāng)各溫度超過參數(shù)上限時，溫度

11、過高的時候，PLC發(fā)出報警信號，并啟動備用風(fēng)機。選擇變頻運行：風(fēng)機啟動變頻運行，負(fù)壓和風(fēng)量傳感器對工作環(huán)境進(jìn)行檢測，當(dāng)滿足參數(shù)設(shè)定值時，風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)，當(dāng)負(fù)壓和風(fēng)量值低于參數(shù)設(shè)定下限時，PLC給變頻器信號，進(jìn)行變頻加速，負(fù)壓和風(fēng)量傳感器一直對工作環(huán)境進(jìn)行檢測，當(dāng)負(fù)壓和風(fēng)量值達(dá)到PLC中參數(shù)設(shè)定值時，進(jìn)入一下步檢測，由于風(fēng)機變頻加速，負(fù)壓和風(fēng)量超過參數(shù)設(shè)定上限的時候，PLC給變頻器信號，變頻減速。工作環(huán)境各參數(shù)都正常以后，返回，如此反復(fù)。當(dāng)風(fēng)機軸承、電機定子溫度過高時，PLC發(fā)出報警信號，并啟用備用風(fēng)機。圖5為本系統(tǒng)組態(tài)圖，圖6為風(fēng)機運行時風(fēng)量曲線。圖5 礦井風(fēng)機數(shù)字化PLC變頻控制系統(tǒng)組態(tài)圖6

12、風(fēng)機風(fēng)量組態(tài)曲線圖3 系統(tǒng)PLC選型本系統(tǒng)控制部分由西門子S7-200PLC實現(xiàn)，軟件采用STEP7編程，該PLC是由框架和一些功能模塊組成的，所選部分模塊的用途如下：電源模塊：輸入電壓為交流220V，輸出為DC24V，5A，主要為CPU模塊和通訊模塊提供DC24V電源。圖7 PLC電源模塊CPU模塊：作為PLC的核心模塊，是程序保存和執(zhí)行的部件。圖8 PLC CPU模塊通訊模塊：通過該模塊，PLC能很方便的與上位機和觸摸屏進(jìn)行通訊，上位機和觸摸屏的所有控制信號通過該模塊傳送到CPU，實現(xiàn)對壓風(fēng)機的工藝流程的控制。圖9 PLC通訊模塊模擬量輸入模塊：該模塊由16個模擬量輸入通道，本系統(tǒng)選擇4個

13、，是外部模擬的溫度、風(fēng)壓、風(fēng)量和粉塵濃度等信號進(jìn)入PLC的唯一入口。PLC模擬量輸入模塊是礦井風(fēng)機控制系統(tǒng)的一個重要部分，溫度傳感器、風(fēng)壓傳感器、風(fēng)量傳感器和粉塵濃度傳感器將檢測到的信息通過模擬量輸入模塊輸入給PLC（輸出值是模擬量的傳感器可以不用此模塊）。圖10 PLC模擬量輸入模塊4、系統(tǒng)檢測硬件配置溫度傳感器：選用PT100防爆型溫度傳感器。Pt100溫度傳感器是一個模擬信號，它在實際應(yīng)用中不需要顯示而采集到PLC中，這樣的話在使用的時候就是只需要一塊pt100的集成電路，要注意的是這個集成電路采集的不是電流信號是電阻值，pt100的集成電路（需要一個12VDC電源提供工作電壓）直接把采

14、集到的電阻變?yōu)?-5VDC輸入到PLC，經(jīng)過簡單的計算就可以得到相應(yīng)的溫度值（這樣的形式可以同時采集多路）Pt100溫度傳感器產(chǎn)品規(guī)格:Pt100/Pt1000測量溫度范圍 -50450Pt100，Pt1000薄膜鉑熱電阻元件, 標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋 M8X1，M10X1,“1/2”,“3/4”, M27X2 任選 探頭保護(hù)管直徑4，5，6. 圖11 Pt100防爆型溫度傳感器風(fēng)量傳感器：礦用風(fēng)速風(fēng)量傳感器 型號:CT1-KGF2。技術(shù)指標(biāo)： 測量范圍: 風(fēng)速0.315m/s 坑道斷面積： 小于30m2；(任意設(shè)置) 允許誤差： 小于±0.3

15、m/s 重復(fù)性誤差： 讀數(shù)值+1% 輸出信號： 2001000Hz/515Hz 或420mA/15mA 風(fēng)速、風(fēng)量三位LED就地顯示 工作電壓： 本安DC1218V 工作電流: 小于60mA 換能器工作頻率：140150KHz圖12 CT1-KGF2礦用風(fēng)速風(fēng)量傳感器風(fēng)壓傳感器：PTP708風(fēng)壓傳感器。量 程: 01KPa10KPa100KPa1(MPa) 綜合精度: 0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS 輸出信號: 420mA(二線制) 供電電壓: 24DCV(936DCV) 介質(zhì)溫度: -2085 環(huán)境溫度: 常溫(-2085) 負(fù)載電阻: 電流輸出型：最大800；電壓輸出型：大于50

16、K 絕緣電阻: 大于2000M (100VDC 密封等級: IP65 長期穩(wěn)定性能: 0.1%FS/年 振動影響: 在機械振動頻率20Hz1000Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS 電氣接口(信號接口): 四芯屏蔽線、四芯航空接插件、緊線螺母 機械連接(螺紋接口): 1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等。圖13 PTP708風(fēng)壓傳感器粉塵濃度傳感器：GCG1000型粉塵濃度傳感器（礦用）圖14 GCG1000型粉塵濃度傳感器5、系統(tǒng)變頻器及其控制（一）系統(tǒng)變頻器選擇本系統(tǒng)選用德國西門子公司產(chǎn)的MicroMaster430變頻器，型號為

17、：SIEMENSM 6SE6430-2UD41-3FB0 132KW 。MicroMaster430是全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器中的風(fēng)機和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專家。功率范圍7.5kW至250kW。它按照專用要求設(shè)計，并使用內(nèi)部功能互聯(lián)（BiCo）技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性。控制軟件可以實現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動/自動切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測、節(jié)能運行方式等。本系統(tǒng)所選電機功率為132KW，此變頻器節(jié)能效果良好。主要特征：380V-480V±10%，三相，交流，132kW；風(fēng)機和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專用；牢固的EMC（電磁兼容性）設(shè)計；控制信號的快速響應(yīng)； 傳動平穩(wěn)。 控制功能：線性v/f控制，

18、并帶有增強電機動態(tài)響應(yīng)和控制特性的磁通電流控制（FCC），多點 v/f控制；內(nèi)置PID控制器；快速電流限制，防止運行中不應(yīng)有的跳閘；數(shù)字量輸入6個，模擬量輸入2個，模擬量輸出2個，繼電器輸出3個；具有15個固定頻率，4個跳轉(zhuǎn)頻率，可編程；采用BiCo技術(shù)，實現(xiàn)I/O端口自由連接；集成RS485通訊接口，可選PROFIBUS-DP通訊模塊；靈活的斜坡函數(shù)發(fā)生器，可選平滑功能； 三組參數(shù)切換功能：電機數(shù)據(jù)切換，命令數(shù)據(jù)切換； 風(fēng)機和泵類專用功能： 多泵切換；旁路功能；手動/自動切換；斷帶及缺水檢測；保護(hù)功能：過載能力為140額定負(fù)載電流，持續(xù)時間3秒和110額定負(fù)載電流，持續(xù)時間60秒；過電壓、欠電壓保護(hù)；變頻器過溫保護(hù)；接地故障保護(hù)，短路保護(hù)；I2t電動機過熱保護(hù)；PTC/KTY電機保護(hù)。 礦山主通風(fēng)機屬煤礦一級負(fù)荷設(shè)備,要求運行絕對可靠,而其又是24h連續(xù)工作。為保證系統(tǒng)運行安全可靠，所以我們礦山選用可靠性比較高的進(jìn)口