PLC与变频器在煤矿轴流风机控制系统改造中的应用.pdf

157 科学管理 2019年第8期 在中国超过95的煤矿以地下开采的方式生产，为 保证安全生产必须向其中持续通风[1]。一般采用轴流式 通风机作为主扇不断为井下输送新鲜空气，为井下工 作人员提供必须的氧气，稀释、带走生产中产生的粉 尘、热量和瓦斯[2]。根据煤矿安全规程规定，必须 保证在主扇停止运行后10min内可以恢复井下通风，因 此必须实时对主扇的状态进行监控或调整[3]。目前我国 传统煤矿采用的是继电-接触控制系统，此种控制方式 的可靠性不足，而且由于功能单一，无法对主、备实 现自动切换和变速，这会加速主通风机的磨损。PLC 和变频器作为新型设备被广泛地用于电气自动化系统 设计中，本文将PLC与变频器进行有机结合，用于煤 矿轴流式通风机控制系统的改造，以实现控制主扇的 转速、自动切换风机和过热保护等功能。 1 系统功能及结构设计 1.1 系统功能设计 在保证井下持续供风的条件下，该系统还应具有 如下功能 （1）通风系统具有手动、自动2种控制模式 （2）可将PID运算结果输出控制变频器； （3）在处于自动控制模式下，检测到井下压力过 低时，会控制2部风机同时工作以保证风压并发出警 报，提醒工作人员及时处理； （4）定期自动对主、备用风机进行切换[4]。 1.2 系统结构设计 图1为设计的主扇控制系统结构图。该系统由变频 器、传感器、信息传输设备、编程控制设备和主站等 硬件与控制软件组成。依靠PLC和变频器等设备对主 扇的工作状态进行监控，通过控制软件分析处理主扇 的状态信息完成自动风机切换及调速。 图1 主扇控制系统结构图 2 系统硬件组成 设计的主扇控制系统包括高低压配电系统、变 频调速系统、主扇风机系统、PLC控制系统和集控、 上位机检测系统和主电机检测与保护系统。 2.1 高低压配电系统 该系统由3台高压变压器柜、2台进线柜和1台母联 柜组成。利用高压柜为变压器供电，根据煤炭安全 规程规定，高压柜采用热备冗余设计以提高供电的 可靠性。由于该系统产生的系统谐波会对煤矿电网造 成不利影响，因此供电变压器选用相位角之间差值为 30的6000V/660V三绕组变压器供电变压器（电压值 与风机的额定电压匹配）。采用6000V/400V变压器对 系统进行供电。利用母联柜可以实现高压热备功能。 并且还需要在高压开关柜中安装综合保护装置，该装 置与PLC柜连接。通过PLC对母联柜进行解析与控制， 实现对高压柜的检测与控制。 选用抽屉式配电柜作为低压配电装置，在该柜内 安设有SIMENS S7-300型PLC，通过该PLC实时监测低 压开关的运行状态，同时与继电器配合控制低压开关 的闭合。该系统还为主扇风机、变频器控制装置和照 明系统供电。 2.2 变频调速系统 采用西门子公司生产的G15系列的6SL3710- 1GE36-1CA0-Z型变频器为风机进行供电，一共4台。 将变频器分为两辆一组，每组控制每个风道中的2台风 机。通风机控制系统中的PLC通过变频器调节输出频 率实现风机输出功率的调节，进而调节风机风量。 2.3 主扇风机系统 由于该矿存在瓦斯突出风险，因此采用BDK54型防 爆风机。为提高主扇通风系统的可靠性，设计为双风 道便于风机的快速切换。通过三相交流电机完成风门 的开合，利用风门轨道中的限位传感器检测风门的开 合状态实现风门开合的精确控制。 2.4 PLC控制系统 该系统包括1台S7-300 PLC、数字两模拟量、通 讯单元模块、2台振动变送器、2台温度巡检仪、1台 不间断UPS电源、24V的开关电源、继电器和通信连接 线。其中PLC是整个系统的核心部件，通过PLC才可实 现风机控制系统的自动化。为保证系统的可靠性，因 此采用西门子公司生产的S7-300系列PLC，通过多条 总线将PLC与传感器、测量设备通信连接。 2.5 集控与上位机检测系统 集控系统主要包括上位机系统、UPS应急电源、 工业通信网络、千兆Hub和光电转换器等。为保证监 PLC与变频器在煤矿轴流风机控制系统改造中的应用 刘志杰 阳煤二矿选煤厂机电队 山西 阳泉 045000 摘要针对我国煤矿主风机控制系统落后，可靠性差的问题，设计了基于PLC与变频器的主扇控制系统，从该系统的 硬件组成和软件设计两部分进行了分析。现场应用表明，该系统可靠性高、动作迅速，完成反风操作仅需3min。 关键词PLC 变频器 主扇控制系统 科学管理 158 2019年第8期 控系统的稳定性，实现可靠的无人值守功能，采用的 是冗余型工业以太网拓补结构。上位机检测系统由数 据服务器、历史服务器、监控工控计算机和工控维护 机组成。 2.6 主电机监测与保护系统 依靠主电机监测与保护系统可以实现主风机电机 的检测和保护，检测的范围包括监测电机的振动状 态、电流和电压，通风的风量、风压、和温度等参 数。这些参数由相关传感器检测传输到PLC中。通过 在PLC中预先设置好相关参数的限定值，一旦检测到 的性能参数不在限定范围内就通过预先设置的压差变 送器修正风机电机的运行工况，同时发出警报，提醒 工作人员进行检查。 3 主扇控制系统软件设计 主扇控制系统的软件部分由PLC控制系统和远程监 控系统组成。 3.1 PLC控制系统的设计 由于人工值守的可靠性低且会增加人员的工作 量，因此有必要采用PLC控制系统实现自动控制。主 扇控制系统除采取冗余型工业以太网拓补结构，还设 有PLC程序。该程序根据输入的各开关量和模拟量监 控各部件的运行状态同时进行控制，如通过风门控制 程序可以对风门的开合状态进行控制。G150变频器上 设有Profibus接口，该接口通过管线与PLC连接完成两 部件之间的通信，则PLC为控制主站，变频器为受控 从站，两者结合可远程完成开、闭环控制。CP340模 块是PLC控制系统中485总线的主站，其余各综合保护 单元是从站。PLC通过485总线与电力综合保护单元连 接，PLC控制高压系统。PLC的输出端通RS-232通信电 缆与显示屏连接，工作人员通过显示屏了解主扇控制 系统的运行状态和各项操作。 3.2 远程监控系统 基于Window2000/NT系统开发了上位机远程控制系 统。该系统为多级分布式结构，以工业以太网为基础 连接各个IPC分站和PLC总站。在主扇控制系统中，所 有传感器感应检测到的数据直接传输到PLC中，在PLC 中的程序对数据进行分析处理形成实时监控信息，在 进行人机交互后，发出电信号到对应的IPC分站中完 成对应操作。检测到的所有数据和操作信号都被存储 到数据库之中，以便于日后对系统进行维护。利用 INTouch 软件组态构成上位机监控程序，通过交换机与 PLC之间进行实时通信，实现对风机监控信息的实时 显示、故障诊断与警报功能。 4 现场应用 该矿在构建主通风机监控系统之后，进行了半年 的工业运行试验。在试验期间控制系统和主扇运行稳 定，PLC和变频器动作响应迅速。主风机的所有性能 参数都可在中央控制室内的显示器上显示，工作人员 可以通过触控显示屏操控风门和主扇的运行参数。根 据实测，仅需3min工作人员就可在中央集控室内完成 反风操作。 5 结束语 基于PLC与变频器的主扇控制系统在各部件的有机 结合下，通过PLC控制系统和远程监控系统可以实现 对风机监控信息的实时显示、故障诊断与警报和控制 功能。该系统有效提高了主扇运行的可靠性，提高了 控制效率，为地下煤矿的高效生产提供了保障。 参考文献 [1] 梁晓娟 . 中国煤矿安全规制效果的实证研究 [D]. 大 连 东北财经大学， 2007. [2] 黄化柏 . 煤矿主扇风机节电途径 [J]. 华东电力， 1989 （5） 29-32. [3] 游雷， 刘克福， 蒋代君， 等 . PLC 和变频器在恒张力 卷取机中的应用 [J]. 机械工程师， 2013（8） 119-120. [4] 辛广龙 . 煤矿安全规程问答 [M]. 北京 煤炭工业出 版社， 2004. 收站每个月在处理BOG的过程中所消耗的能量降低了 5.54，外输单位的LNG压缩机的能耗降低了32.87。 从数据统计来看，执行优化措施后，能耗降低十分的 显著。2）LNG接收站BOG处理成本得到了有效的控 制。就目前的分析来看，在执行优化模式之后，LNG 接收站BOG处理会节约大量的电能，而就目前的电能 费用做计算，这些能耗的节约实际上就是电费成本的 节约。从长期发展的角度来看，成本控制的效果非常 明显。3）BOG压缩机在优化后不再处于满负荷运行的 状态，BOG量的稳定性得到了显著的提升，这对于后 续操作工艺的开展来讲具有重要的作用，而且在执行 优化措施后，接收站的设备乃至整个接收站的运行稳 定性得到了显著的提升，故障发生率降低，安全运行 效果提升。 4 结束语 综上所述，LNG接收站BOG的处理效果直接影响 LNG接收站的能耗状况以及成本控制情况，同时对 LNG接收站的稳定性和安全性也有影响，所以具体分 析LNG接收站BOG的处理十分必要。文章对LNG接收 站BOG系统等做具体的分析，并就BOG处理能耗较高 问题做讨论分析，研究BOG系统的额运行优化，旨在 为具体的LNG接收站实践工作提供帮助与参考。 参考文献 [1] 张弛， 潘振， 商丽艳， 等 .LNG 接收站 BOG 处理工艺 优化及能耗分析 [J]. 油气储运， 2017， 36（4） 421-425. [2] 尚卯， 谷英杰 . 福建 LNG 接收站 BOG 再冷凝工艺 优化研究 [J]. 天然气与石油， 2017， 35（5） 28-33. [3] 付海洋 . 试论 LNG 接收站 BOG 处理工艺的优化 [J]. 当代化工研究， 2017（10） 90-91. [4] 郭慧军， 逯国英， 宋义伟， 等 . 大型 LNG 接收站 BOG 处理工艺优化研究 [J]. 当代化工， 2017， 46（6） 1165- 1167. [5] 郝飞， 杨林春， 雷凡帅， 等 .LNG 接收站 BOG 压缩 机轴瓦材质和结构优化 [J]. 天然气技术与经济， 2017（s1） 25-27. （上接第162页）