变频控制技术在煤矿主通风机上的应用

0 引言

主通风机是煤矿四大固定设备之一，素有“矿井肺腑之称”，它担负着向井下输送新鲜空气，排出粉尘和污浊气流，确保矿井安全生产的重任[1]。近年来，随着国家对煤矿安全与经济效益的日益重视，煤矿机电设备的运行控制和自动化管理显得尤为重要，因此，加强通风管理，防止安全事故发生，提高风机运行效率，确保其安全、经济、高效运行已势在必行。

陕西省某煤矿原通风监控系统存在以下问题：系统过于简单、风机耗电量大、部分关键参数监测精度较低、监测内容不全面、未与调度中心信息系统集成。经过多年运行，部分设备老化，多数仪表损坏，监控系统处于半瘫痪状态，已经构成了严重的安全隐患。因此，必须对原有系统进行全面改造，建立完善、合理的监控系统，以改变该矿落后的管理局面，提高矿井通风设备自动化和科学化管理水平。

1 变频控制系统组成

为了适应矿井发展，满足通风网络变化的要求，通风机及其拖动电机在设计选型时都有一定余量，形成“大马拉小车”的不经济运行现象。煤矿主通风机传统的控制方式是风机全速运行，通过调节风叶安装角度或风门开度调整所需风量，这种运行方式能耗大，约占煤矿能耗的15%~20%左右，并且调节不方便。采用变频调速技术，可以根据矿井生产需求调整电机转速来调节风量，既节约大量电能，又减少机械和风的噪音。

根据《煤炭安全规程》第四百四十二条规定[2]，主通风系统高压两回路10kV电源引自地面变电所不同的两段母线上，通过架空线路接至主通风变电所高压室，高压母线为单母线分段结构，两条高压进线互为备用，安装自投装置，确保供电安全。高压室设有7台高压柜。低压母线也为单母线分段，设有进线柜两个、母线联络柜一个，四个变频柜分别控制两台对旋风机的四台电机，两个低压配电柜为风门绞车供电，系统控制柜一个。变频器选用日立变频器SJ700系列。日立SJ700变频器特别适合煤矿风机使用，具有如下优点：

1)实现了0.3 Hz时200%以上高启动转矩，保证风机特殊情况下的正常启动;

2)具有变频器跳闸抑制功能，过电流抑制功能、过电压抑制功能，根据负载调整所需的加速时间和减速时间，减少了跳闸的发生，提高了风机运行的安全性;

3)通过可编程序运行功能，实现简易顺序控制功能，内置简易程序运转最大可达512步，可以简化上位装置和周边回路，节约了控制柜空间、降低了成本，提高了变频控制柜可靠性;

4)采用冷却风扇、平滑电容等长寿命部件，设计寿命达到10年，并具有寿命诊断功能，可以发出预告信号，提示在这些部件发生故障前对其进行更换，提高了变频器的可靠性;

5)安装标准的EMC噪音滤波器，降低了谐波和变频器噪音;

6)专利微浪涌电压抑制功能，即使和电机之间接线距离很长，也能抑制端子电压的变动，保护风机电机的绝缘;

7)一个按钮即可实现变频器的紧急切断，不通过变频器的CPU，通过硬件就可以切断输出，从而实现高可靠性紧急切断，保证应急停风机的要求;

8)变频器内部基板三防涂层处理及铜条的镀镍处理，提高了变频器环境适应性，适合煤矿应用环境。主通风变电所一次系统如图1所示。

2 监控系统组成

矿井主通风机自动监控系统以PLC 为核心，主要由信号监测装置、传感(变送)器、PLC、通信装置、上位机及其它设备组成，可分为风机变电站监控系统和风机风速、负压、振动、风机电机温度监控系统，如图2所示。

PLC 选用Sienens S7-300 系列PLC，硬件结构如图3所示，主要由电源、CPU、数字量输入输出、模拟量输入输出、通信单元等模块组成。

触摸屏采用WEINVIEWMT508T 触摸屏，通过MT5-S7300 通信电缆与PLC 连接，采用MPI 协议完成通信。触摸屏动态显示系统整体运行状态。

S7-300 通过工业以太网通信模块CP343 连接到上位工控机或矿统调系统，实现监测参数的实时显示，并将监测参数存储到数据库中;同时以数据、趋势图及报表等多种方式实现风机运行参数监测结果的再现。根据设定的起始时间点，实现分、时、日和选择变量形式，以时间间隔和变量数据等方式查询、打印报表，完成性能测试，自动生成性能测试报告，通风机性能曲线等。

2.1 变电站监控系统组成

变电站监控系统高压部分采用厦门工控生产的微机保护单元，该单元可就地显示相电压、线电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等参数，可通过RS485

接口使用MODBUS-RTU 协议与PLC 通信模块CP341连接。[!--empirenews.page--]

低压系统测量仪表均采用设有RS485通信接口的SWP系列智能仪表，可就地显示相电压、线电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等参数，通过MODBUS-RTU协议与PLC通信模块CP341通信，监测设备运行参数。

变频器标配RS485 MODBUS-RTU 通信接口和PLC通信模块CP341，通过MODBUS-RTU协议进行通信。

其它高、低压开关，风门限位开关的信号均通过数字量输入模块与PLC连接。

2.2 风机在线监测系统组成

风速、负压、振动、风机电机温度监控系统主要由风速、负压、振动、温度传感器和相应变送器组成。

风速传感器安装在风机前端的风道内，传感器输出信号经风速变送器转换成电信号，传送至PLC模拟量输入模块。

负压监测是把风机前端的风道开孔引风接至负压传感器，经过负压变送器将负压值转换为4~20 mA信号引至PLC模拟量输入模块。

振动监测由振动传感器和振动位移变送器组成。

振动传感器分别安装在风机前、后轴承位置处的机壳垂直和水平方向上，用于检测风机的水平和垂直方向的振动。振动速度量转换成位移量送入振动位移变送器，振动位移变送器将此位移信号转换成与之对应的电信号输出，接至PLC模拟量输入模块。

风机拖动电机安装三相定子和前后轴承，绕组温度传感器，两套带有标准RS485接口的16路温度巡检仪SWP就地显示温度及温度报警状态，温度巡检仪也通过MODBUS-RTU 协议与PLC 通信模块CP341通信，在触摸屏和上位机上实时显示温度。

3 系统软件设计

基于PLC的监控系统软件由风机控制、参数监测和通信三个子程序组成。PLC 编程软件采用STEP7-V5.3，由PLC 完成各类监测参数的采集、模数转换、数据处理，再向后台传输监控信息并执行后台的指令。

风机控制采用三级控制模式，即手动/就地控制模式、触摸屏集中控制模式和上位机远程控制模式。高压系统和变频器也有两种控制方式：一种是通过PLC的一个CP341通信模块给微机保护单元发送遥控命令，控制高压开关柜分、合闸，另一个CP341通信模块给变频器发送运行、转向指令及输出频率控制风机起停;另一种方式，高压柜分、合闸及变频器运行、转向指令来自PLC数字量输出模块，通过PLC模拟量输出模块或控制柜上的电位器控制变频器输出频率。风门绞车及低压系统控制通过数字量输出模块控制。

触摸屏程序设计采用Easy Builder 500编程软件，通过MT5-S7300通信电缆与PLC连接，直接读取设置在PLC中的数据，控制高、低压系统分合闸，实现风机的正常启停，风门绞车的正常升降，实时观测风机运行时的参数。触摸屏如图4所示。

PLC模拟量输入模块是自动监控系统中的一个重要部分，模拟量输入模块选择电流输入的工作模式，PLC通过模拟量输入模块采集风机运行参数，送上位机和触摸屏动态显示。程序中设计了风机电动机温度超标、电动机振动超标报警程序，以此提高风机及电机的运行可靠性。

4 系统特点

1)实现风机运行参数的实时监测与风机主辅设备集中控制;

2)实时监测拖动电机电气参数;

3)显示当前运行机号、正反转信号、风机开停状态等;

4)动态显示主通风变电所高、低压设备运行状态;

5)实现远程通信，监测参数可上传到上位机与煤矿调度系统连接;

6)实现三级控制。

5 结语

基于PLC 的风机变频驱动系统及风机自动监控系统实现了触摸屏和上位机两级集中监测和控制，为通风系统及时维护和有效调节提供了可靠依据。本系统在该矿已运行两年，监测实时性好，数据准确，通信可靠，达到了节能的预期效果。实践证明，风机自动监控系统有力地保证了主通风机经济、可靠地运行，提高了矿井主通风机设备的自动化管理水平。