基于PLC的煤矿通风机变频调速控制系统的设计.pdf

引言 煤层中含有大量的有毒有害气体，伴随着煤炭 开采的过程， 大量有毒有害气体涌出， 并且会产生易 燃易爆的煤尘[1-3]。 煤矿通风系统的作用即抽送有毒 有害气体， 抑制煤尘， 向工作面输送新鲜空气， 为了 保证矿井生产方面的要求， 通风机需要 24 h 不断地 运行，所以对通风系统的工作性能提出了很高的要 求[4-5]。 目前国内很多煤矿通风机的控制系统较为落 后， 而系统在整个生产过程中需要持续运转， 造成了 大量电能的浪费[6]。 因此， 设计一种新的煤矿通风机 控制系统是非常重要的。 1系统整体方案的设计 本文设计的控制系统主要包含了操作台、核心 控制器、 风机运行数据的监测设备与变频器等， 其中 操作台包括有工控机与触摸屏。系统通过煤矿的变 电所转换的低压源进行供电，地面调度室与操作台 通过网络协议进行信息传输。上位机具有良好的人 机交互界面，通过触摸屏的组态软件进行对风机运 行参数的监测。系统通过 RS485 串口通信的方式实 现数据的采集与传输，保证在调度室内的工作人员 可以及时了解现场情况， 制定检修计划与调配工作， 见图 1。 在现今工业实际应用中，交直流电机的体积较 小、 价格便宜、 工作性能优良， 但缺点是控制复杂， 调 速不方便。 经过几年各学者的研究， 目前对异步电机 的调速方式有变极调速、 串级调速、 转子串电阻调速 与变频调速等。 风机作为一种负载变化的设备，其负载随着风 机转速的变化而变化， 所以在实际生产过程中， 通风 系统的负载不停波动，当采用变频调速技术对其控 制时， 可有效地减小负载变化带来的设备冲击， 节省 一定的电能消耗。 由异步电机的基本原理可知， 电机 的转速与频率之间的关系如公式 （1） n 60f 1 p （1-s） 60棕1 2πp （1-s）.（1） 式中 f1为电机定子频率； 棕1为角频率； s 为电机的转 差率； p 为电机的磁极对数。 当增大电源频率 f1时， 由公式 （1） 知， 交流电机 的转速 n 也随之增加。相反， 当减小电源频率 f1时， 交流电机的转速 n 也随之减小。 综上可知， 通过改变 电机输入频率可实现电机的转速调节，这种调速方 式称为变频调速。 系统的控制原理图如下页图 2 所示。由系统输 入设定值， 通过与传感器监测到的反馈数据比较， 经 过 PID 调节，系统通过 PLC 控制器控制变频器的频 率输出， 调节风机的转速， 最终控制输出风速达到设 定值。 基于 PLC 的煤矿通风机变频调速控制系统的设计 高盼峰 （西山煤电官地矿机电科机维队， 山西太原030022） 摘要 针对目前国内大多煤矿通风机控制系统陈旧、 通风效率不高的情况， 设计了一种基于 PLC 的变频调速 控制系统。结合煤矿生产要求， 设计了系统的总体结构与控制方案， 证明了变频调速系统在控制性能与节能方 面所带来的效益。 硬件部分， 对 PLC 控制器与变频器进行选型设计， 包括两者的接线图， 并对系统的传感器进行 布置； 软件部分， 设计了主程序的流程图。系统的应用将提高风机的工作性能， 降低功率损耗， 可带来较高的经 济效益。 关键词 通风机变频调速PLC 中图分类号 TD712文献标识码 A文章编号 1003-773X （2019） 11-0201-03 收稿日期 2019-09-01 作者简介 高盼峰 （1986） ， 男， 本科， 毕业于中国矿业大学机 械电子工程专业， 机电助理工程师， 主要从事矿井主通风机的 管理工作。 DOI10.16525/14-1134/th.2019.11.084 总第 199 期 2019 年第11 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 199 No.11， 2019 图 1系统的整体结构 地面调度室 交换机 操作台 控制器 变频器 风机电机 低压供电 仪表风机运行监测 TCP/IP 自动化技术与设计 风流通过通风机管道中受到的通风阻力与流量 之间的关系如公式 （2） 所示 ΔPRQ2. （2） 式中 ΔP 为通风机管道内的阻力损失； R 为管道内 的阻力系数； Q 为通过的总风量。 由风机风压与风量 之间的特性可知，减小管道的部分横截面积来调节 出口风速时， 虽然风量会有明显地减小， 但是同样会 增大风流受到的阻力， 浪费系统的能源消耗。 由流体 力学可知， 当风机处于稳定状态时， 风流的风压、 风 量与风机的转速、 功率之间存在一定的关系， 如公式 （3） 所示 Q1 /Q 2 n 1 /n 2 P1 /P 2 （n1 /n 2） 2 N1 /N 2 （n1 /n 2） 3 扇 墒 设 设 设 设 设 缮设 设 设 设 设 .（3） 式中 n1与 n2分别为风机调节前与调节后的转速； P1 与 P2为调节前后风流的风压； N1 与 N2为调节前后 的功率。 由公式看出， 风机的转速与输出的风量成正 比， 风机功率与转速的三次方成正比。 这表明当风机 转速降低 1/2 时， 风机的功率降低为 1/8， 所以当采 用变频方式调节风机转速时，可大幅度减少风机的 功率损耗， 提高能源利用率。 2控制系统硬件的设计 本系统控制器选型以煤矿实际生产要求为标 准，结合经济成本考虑，选择西门子公司生产的 S7-200PLC 作为核心控制器。S7-200PLC 采用模块 化结构， 具有体积小、 速度快、 系统功能丰富、 工作稳 定的优点， 搭载高可靠系统， 通过冗余设计提高系统 性能， 维护方便[7]。S7-200PLC 虽然作为小型机型， 但是其控制性能可与中型机， 甚至大型机媲美。 在与 其他设备之间实现串口通信时，可作为总线中的一 个单元， 直接参与对设备的整体控制， 并通过组态软 件实现功能要求。 在 S7-200 系列 PLC 控制器中，综合考虑选用 功能最为强大的 CPU226， 其具有两个供电模块与两 个扩展模块，包括数字量扩展模块与模拟量扩展模 块， CPU 具有两个通讯端口， 可同时连接上位机与触 摸屏， 满足系统控制要求。 变频器是风机系统的直接执行机构，系统可通 过上位机与触摸屏的操作，实现控制变频器的频率 变化。根据功能要求，本文选用西门子公司的 MM440 变频器。 MM440 变频器的输入可接三相或单 相电源， 输出接三相交流电机， 变频器部分包括主线 路与控制线路两部分，输入信号分为并行接口和串 行接口， 具有快速响应输入和更加广泛的功能。 PLC 控制器与变频器的接线图如图 3 所示， 其 中变频器采用 380 V 三相交流电压供电， PLC 采用 220 V 交流电供电。 SB1 与 SB2 分别为风机的启动按 钮与停止按钮， SB1 采用常开触点连接 I0.0 端口， SB2 采用常开触点连接 I0.1 端口。 本系统为实现风机运行数据的采集，主要采用 风速传感器、 瓦斯传感器与震动传感器等。 由于井下 环境特殊， 所以传感器均采用本质安全型， 使用电缆 连接。风速传感器采用 KGF2 型煤矿专用风速监测 器， 采用不锈钢材质， 由 18 V 直流电源供电， 可直接 显示风速信息， 也可将信息传输到连接设备中。 风速 传感器安装在风机出口处，确保传感器探头指向与 风流方向相同， 减少误差。 本系统采用 GJC4 型瓦斯传感器监测巷道内的 瓦斯浓度值， 具有声光报警与远程遥控功能。 传感器 在调零结束后安装于巷道内，保证安装位置距巷道 顶部小于 30 cm， 距墙面大于 20 cm， 确保可以准确 读数。 3系统软件的设计 本系统的主程序如图 4 所示。 系统初始化后， 系 统执行自检程序，当检验正常后启动风机与其辅助 设备， 在进一步启动变频器后， 系统开始正式运行。 图 2系统控制原理图 图 3PLC 与变频器的接线图 图 4主程序框图设计 给定值 PID 控制变频器风机 输出风速 风机数据监测 - SB1 SB2 1M1L I0.2 I0.1 I0.0 I0.3 Q0.2 Q0.1 Q0.0 Q0.3 S7-200 CPU226 2L Q0.4 N L1L M 220 V L2 L1 L3 9 8 7 6 5 16 U V W MM440 变频器 M 3 380 V 系统初始化 自检正常 启动风机 开启辅助设备 启动变频器 故障监测 处理 停机 是否停机 数据采集 N Y Y N 第 34 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 202 系统运行过程中主要由故障监测程序与数据采集程 序保证系统的正常运行与控制精度，实现井下的持 续通风， 保障生产安全。 4结论 该变频调速控制系统可实现对煤矿风机的控制 功能， 提高了通风系统的可靠性， 在保证控制要求的 前提下， 降低了运行过程中的电能消耗， 有一定的经 济效益。 参考文献 [1]李勇， 吴建平， 刘海峰.变频技术在煤矿通风机控制系统中的应 用设计[J].信息技术， 2009， 33 （8） 149-151. [2]贺玉凯， 邓建平， 张芳， 等.基于 DSP 的智能局部通风机控制系 统研究[J].煤炭工程， 2005 （3） 73-75. [3]吴燕翔， 李权任， 成萍， 等.基于 PLC 的矿井通风机变频控制系 统的设计[J].科学技术与工程， 2009， 9 （16） 4 771-4 775. [4]董素玲.基于模糊控制的煤矿主井通风机不停风倒机自动控制 系统设计[J].工矿自动化， 2015， 41 （9） 39-43. [5]徐维维， 胡亚非， 李解.基于 S7-300 和 Wincc 的矿井通风机监 测监控系统[J].煤矿安全， 2011， 42 （7） 86-88. [6]孙传余， 肖林京， 孙慧， 等.煤矿通风机变频控制系统的开发与 应用[J].工矿自动化， 2009， 35 （11） 72-75. [7]杨春稳， 李俊豪， 马东娟， 等.基于 PLC 煤矿通风机供电控制系 统可靠性研究[J].中国煤炭， 2011， 37 （4） 140-141. （编辑 赵婧） Design of Frequency Control System for Coal Mine Fan Based on PLC Gao Panfeng （Guandi Coal Mine of Xishan Coal and Electricity Group, Taiyuan Shanxi 030022） Abstract Aiming at the fact that most domestic coal mine fan control systems are outdated and the ventilation efficiency is not high, a PLC-based variable frequency speed control system is designed. Combined with the requirements of coal mines, the overall structure and control scheme of the system was designed, which proved the benefits of the variable frequency speed control system in terms of control perance and energy saving. In the hardware part, the PLC controller and the inverter are selected and designed, including the wiring diagram of the two, and the sensors of the system are arranged; in the software part, the flow chart of the main program is designed. The application of the system will improve the perance of the fan and reduce the power loss, which can bring high economic benefits. Key words ventilator; frequency conversion speed regulation; PLC [2]王金华.我国煤巷机械化掘进机现状及锚杆支护技术[J].煤炭 科学技术， 2004， 32 （1） 6-10. [3]马平.系列横轴式掘进机的技术发展田[J].煤炭技术， 2006， 25 （10） 9-11. [4]赵东升.悬臂掘进机工作机构自动控制系统的研究[D].西安科 技大学， 2005. [5]刘桂兰， 祖国建.煤矿皮带机的 PLC 改造[J].煤炭技术， 2011， 30 （7） 7-9.（编辑 郭陈勋） Study on Automatic Control Technology of Cutting Coal Rock Roadway of EBZ300 A Mining Roadheader Wang Zhongwei （Shuguang Coal Mine of Shanxi Fenxi Mining Group Co., Ltd., Xiaoyi Shanxi 032300） Abstract In order to solve the problems of difficulty in positioning the heading machine in complex working environment, poor section quality and high labor intensity, the automatic controller of the PLC is used as the control core, and the automatic detection and automatic deviation correction control of the cutting tunnel of the EBZ300 A heading machine are discussed, respectively. Automatic cross-section ing and cutting and other automatic control techniques. The application shows that the tunneling speed of the heading machine is high and the cross section quality is good under the control of the automatic control, and the feasibility technique is provided for the high-quality driving of the mine tunnel. Key words roadheader; PLC controller; position and pose detection; automatic correction （上接第 198 页） 高盼峰 基于 PLC 的煤矿通风机变频调速控制系统的设计2019 年第 11 期203