基于PLC的矿井通风机变频调速系统的改造与应用研究.pdf

1通风机变频调速技术特征及原理 采用变频调速技术来控制矿井通风机具有技 术优点 系统调节速度范围大、 转速控制精度高； 启 动电流低， 对整个系统及电网不会造成冲击， 节点 效果明显； 调节速度时系统平滑性好， 效率高； 低速 时， 静关率较高， 相抵稳定性好； 变频器体积较小， 便于安装和维修等。 目前大多数机械设备是通过电机拖动实现制 动、 运行及生产， 而使用异步交流电机较多， 但是异 步交流电机不易调速这一特征限制了其发展。经过 多年研究， 终于解决了这一瓶颈， 研究出许多调速 方式， 其中变频调速方式使用最为广泛， 通过输入 电压频率与电机转速相匹配的方式来实现调速。 基于上述分析， 电机转速 n 的表达式为 （1） n 60f 1 p （1-s） 60棕1 2πp （1-s）.（1） 式中 f1为异步电机定子绕组的定子电源频率； p 为 本机器中异步电机的磁极对数； 棕1为该频率下角频 率； s 为本机器中电机的转差率。 s （ns-n） /ns （棕1-棕） /棕1.（2） 式中 ns为本机器中异步电机的同步转速； 棕 为电机 固有角频率。 ns60f1/p60棕1/2πp .（3） 通过公式 （1） （2） 和 （3） 可知， 异步电机定子绕 组的定子电源频率 f1的改变影响到本机器中异 步电机的同步转速 ns和转子转速 n。当 f1增大 时， 电机转速 n 增大， 同步转速 ns也随之增大， 反 之亦然[1-3]。 2基于 PLC 的通风机变频调速控制系统改造方案 目前西山煤电马兰矿矿井提升系统采用的是 TDK 电压控制系统。针对该系统中主要的原件系统 进行改造，具体包括主要控制系统、 PLC 监控系统、 安全保护系统及制动控制系统。如图 1 所示为矿井 提升系统的整体设计图。 通过采用两套 PLC 对主要控制系统进行同级辅 助控制， 主要职能是实现控制和监测同步进行。 当系 统中的一套 PLC 出现故障时， 另一套及时启动运行， 对整个系统实现实时监控保护作用。 此外， 主要控制 系统还具有如下功能 1） 主要控制系统的 PLC 能够实现多元化控制操 作， 多种控制方式自由切换； 2） 根据矿井煤炭日产量计划， 通过设置变频器 改变提升机的提升速度， 实现无级变速； 3） 保护系统功能完善， 针对矿井提升机在提升 过程中出现的各类情况， 如紧急停车、 提升速度不稳 出现波动、 提升机运行过程中的突然闭锁等工况， 配 备多种保护程序实现多重保护； 4） 控制系统与执行系统之间通过数字化方式进 行信息传递， 降低错误率。 通过安装组态软件对矿井提升机整个系统运行 过程中涉及到的各个参数进行实时监控显示。当系 统出现故障时准确定位并及时开通信息记录存档功 能， 利于维修人员修理及完善系统。 针对矿井提升机在运行过程中承担不同任务的 基于PLC的矿井通风机变频调速系统的改造与应用研究 李辉 （西山煤电煤气化公司， 山西太原030024） 摘要以马兰矿主通风机为研究对象，采用 PLC 控制器对通风机进行变频调速改造，包括主要控制系统、 PLC 监控系统、 安全保护系统和制动控制系统， 并对变频器、 控制器和瓦斯传感器进行合理选型。经改造后的 变频调速系统不仅提高了矿井主通风机输送风量的智能化、 自动化水平和系统对瓦斯的监测精度， 还为矿井 的安全生产节约了大量生产成本支出。 关键词 通风机PLC变频调速转速调节风量控制 中图分类号 TD441文献标识码 A文章编号 1003-773X （2019） 09-0235-03 DOI10.16525/14-1134/th.2019.09.100 总第 197 期 2019 年第9 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 197 No.9， 2019 收稿日期 2019-07-11 作者简介 李辉 （1987） ， 男， 本科， 毕业于中北大学， 工 程师。 图 1矿井提升机系统设计图 上位机 主控 PLC监测 PLC信号 PLC 交流调速 装置 三相异步电机 自动化技术与设计 机电原件进行实时保护， 不仅显示其运行状态， 而且 能够实现故障及时报警，表 1 所示为不同机电原件 的保护措施。 制动控制系统分为两部分，一是提升机的调速 与启停的主控系统；二是用于提升机在运行过程中 出现故障时的机械制动踏板及各类安全阀门控制元 件组成的辅助控制系统。两部分辅助工作最大程度 地提高提升机的安全性能。 3变频调速系统主要设备的选型 对变频器进行选型时应根据具体工程需要， 确 定变频器的控制方式是恒压控制还是恒流控制； 确 定变频器的负载类型， 注意负载特性曲线； 控制高速 电机， 选择容量稍大的变频器； 控制长期低速运转的 电机， 变频器选择加大变速比方式， 使电机在较高频 率下工作。马兰矿通过调研， 选择西门子 6SE7134- 5HK62-5BA0 型变频器，该变频器具有很强的控制 能力、 信息交流能力和安全保护能力， 具有良好的使 用效果， 其具体功能及参数如表 2 所示。 PLC 控制技术是以继电器接触控制技术为基 础、以微处理器为核心发展起来的工业控制装置， PLC 结构主要由存储器、微处理器和电源等组成。 PLC 具有以下特点 可靠性和抗干扰能力强； 配套使 用模板齐全， 使用方便； 接线简单， 维护方便； 体积 小， 结构紧凑及能耗低。根据 PLC 控制器具有的特 征， 结合马兰矿井生产地质条件， 矿井主通风机控制 器选型原则有三点一是选用功能齐全，性能稳定 的；二是根据主通风机使用环境、维修率选择 PLC 的结构形式；三是根据矿井通风机通风网络系统选 择高、 低挡位机器。经分析和马兰矿综合调研， 选用 了西门子 S7-200 系列控制器作为矿井通风机的控 制器。 马兰矿结合该矿瓦斯来源广、 持续涌出等特性， 选择主动连续进行瓦斯监测敏感型传感器，根据现 场调研发现 KG9701 型低浓度沼气传感器，具有瓦 斯主动连续检测特性， 性能可靠、 具有较强的抗干扰 能力。 此外该传感器自带电子显示屏， 可实时显示监 测处瓦斯浓度值，并与传感器系统内部设置的瓦斯 浓度临界值相比较分析，进而准确及时地发出报警 提示。瓦斯传感器的主要技术参数如表 3 所示。 4PLC 变频调速系统程序设计 根据通风机变频调速控制系统改造方案，确定 了四大主要改造系统，并结合系统中的主要设备选 型结果， 其中变频器选用西门子 6SE7134-5HK62- 5BA0 型， 控制器选用西门子 S7-200 系列， 瓦斯传感 器选用 KG9701 型低浓度沼气传感器，对矿井提升 机变频调速系统进行设计，系统控制流程图如图 2 所示。该变频调速控制系统采用两套 PLC 对主要 分类故障内容保护措施 立即关闸类 提升机转速超速、 低压断电、 提 升容器松绳、 传输信息错误、 制 动源失效等 系统立即进入完全制 动状态 终端关闸类 润滑油欠压、 润滑油超温、 制动 油超温 本次提升完毕后禁止 再次启动提升机 自动减速后关 闸类 制动油故障、 闸瓦磨损等 系统自动减速停车并 报警 表 1不同机电原件的保护措施 模块化结构 功率 /kW 电压 /V 输出频率 /Hz 滤波时间 /s 防护等级 有控制单元 和功率组成 110380500.1IP20 表 2变频器技术参数 监测瓦斯 浓度 反应时 间 /s 传送距离 /km 工作电压 /V 报警方式 使用寿命 / 年 0～10≤202～310～25声光报警≥2 表 3瓦斯传感器技术参数 图 2系统控制流程图 开 始 系 统 初 始 化 安 全 回 路 通 否 N 给 提 升 信 号 Y 确 定 开 车 方 向 启 动 制 动 泵 启 动 变 频 器 主 加 速 段 速 度 给 定 N N Y 是 否 过 加 速 段 等 速 度 段 速 度 给 定 是 否 过 等 速 段 减 速 度 速 度 给 定 是 否 过 减 速 段 爬 行 速 度 给 定 是 否 过 爬 行 段 是 否 到 终 端 变 频 停 止 ， 抱 闸 NNNN YYYY 第 34 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 236 Research on Transation and Application of Variable Frequency Speed Regulation System of Mine Fan Based on PLC Li Hui （Xishan Coal and Power Coal Gasification Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030024） Abstract Taking the main ventilator of Malan Mine as the research object, the PLC controller is used to trans the ventilator with frequency conversion and speed regulation, including the main control system, monitoring PLC system, safety protection system and braking control system, and the frequency converter, controller and gas sensor are selected reasonably. The modified variable frequency speed regulation system not only improves the intelligence of the transportation air volume of the mine main ventilator, the automation level and the monitoring accuracy of the system, but also saves a large amount of production cost expenditure for the safety production of the mine. Key words ventilator; PLC; variable frequency speed regulation; air volume control 控制系统进行同级辅助控制， 保证提升机安全正常 运行。 此外监控系统对提升机运行过程中出现的工 况通过网络进行实时反馈， 提高了矿井自动化管理 水平。 5结语 马兰矿采用 PLC 变频控制技术对矿井主通风 机进行控制系统改造，实现了对风机转速调节和风 量的控制， 系统具备矿井瓦斯浓度检测、 计算、 报警 及控制功能。 该系统在马兰矿主通风机上的应用， 不 仅有效提高了矿井主通风机输送风量的智能化、 自 动化控制水平和对工作面瓦斯浓度的精准监测， 还 节约了生产成本。 参考文献 [1]朱相羽， 徐昕炜.变频调速提升机 PLC 的控制设计研究[J].现 代信息科技， 2019， 3 （2） 50-52. [2]王晓东. 基于 PLC 的矿井提升机变频调速控制系统设计研究 [J].能源技术与管理， 2018， 43 （5） 164-166. [3]乔志军.变频调速技术在矿井提升机中的应用[J].矿业装备， 2018 （1） 74-75. （编辑 赵婧） 窄煤柱采用了 “强拉、 短控、 长注” 三位一体耦合支护 技术的设计， 通过现场监测表明， 这种支护技术能够 有效避免了煤柱支护结构的失效，而且能够重新发 挥煤柱中遗留锚固结构的支护能力，从而达到共同 维护煤柱稳定性的作用。 参考文献 [1]张洪伟， 万志军， 张源， 等.非充分稳定覆岩下综放沿空掘巷窄 煤柱变形机理[J].采矿与安全工程学报， 2016， 33 （4） 692-698. [2]张源， 万志军， 程敬义， 等.支护强度对沿空掘巷煤柱稳定性影 响 [J]. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） ， 2013， 32 （4） 443-448. [3]张源， 万志军， 李付臣， 等.不稳定覆岩下沿空掘巷围岩大变形 机理[J].采矿与安全工程学报， 2012， 29 （4） 451-458. [4]朱敬， 曲延伦.鲍店煤矿 103 下 03 工作面沿空掘巷支护技术 研究与应用[J].中国煤炭， 2011， 37 （12） 53-56. [5]毛世杰. 段王矿 15 号煤坚硬直接顶沿空掘巷围岩稳定性分析 及其控制技术[D].徐州 中国矿业大学， 2018. （编辑 赵琳琳） Practice of Trinity Coupled Support Technology of “Strength, Short Control and Long Injection“ Shen Haisheng, Zhang Qi （Lu’ an Group Licun Coal Mine, Changzi County Shanxi 046600） Abstract Aiming at the problem that narrow coal pillars along goaf are difficult to be controlled by multiple dynamic pressure shaping under the condition of insufficient and stable overburden in Licun Coal Mine 1303 working face, a three-in-one coupling support technology of “strong pulling, short control and long injection“ is put forward to control the stability of narrow coal pillars. The measured results show that the coupling support technology can effectively maintain coal. Key words roadway excavation along goaf; borehole peep; support design （上接第 220 页） 李辉 基于 PLC 的矿井通风机变频调速系统的改造与应用研究2019 年第 9 期237