基于PLC实现对矿井风机机组的变频控制(1).pdf

总第201期 2020年第1期 机 械 管 理 开 发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT Total 201 No. 1， 2020 自动化技术与设计 D0110.16525/l4-1134/th.2020.01.090 基于PLC实现对矿井风机机组的变频控制 王巧玲 山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，公司，山 西 昔 阳045300 摘 要 针对当前通风机机组在实际生产中存在启动电流大、 耗能大的问题， 在介绍通风机机组构成的基础 针对当前通风机机组在实际生产中存在启动电流大、 耗能大的问题， 在介绍通风机机组构成的基础 上， 对其通风机机组的变频控制和上， 对其通风机机组的变频控制和PLC控制系统进行设计， 着重对变频器的选型及变频控制策略及控制系统进行设计， 着重对变频器的选型及变频控制策略及PLC控制控制 系统的软、 硬件设计进行研究， 为达到工作面风机机组的节能、 低成本控制奠定基础。系统的软、 硬件设计进行研究， 为达到工作面风机机组的节能、 低成本控制奠定基础。 关键词 工 作 面 通 风 机 变 频 工 作 面 通 风 机 变 频 P L C 节能节能 中图分类号TD441 文献标识码A 文章编号1003-773X 202001-0205-03 引言 通风机作为通风系统的关键设备，目前工作面 通风机的启动方式为最直接启动，且通风系统在实 际实际过程中未能根据现场的瓦斯、粉尘等有害气 体浓度对风机的通风量进行实时控制。鉴于上述现 状,导致通风机的启动电流较大， 从而对电网及相关 设备造成冲击；通风机的恒频运转对电能造成浪费 [ 1 _a。变频控制技术是解决上述问题的关键。 本文将 PLC设计应用于对矿井风机机组的变频控制，从而 达到延长设备使用寿命及节能的目的。 1变频控制系统的设计原则 1 经验表明， 综采工作面通风机机组每年的耗 电量占据煤矿总耗电量的1520。因此,在实现 通风机基本作业任务的同时，最大限度地实现其节 能效果； 2 要求变频控制系统内的高低压配电分系统、 变频拖动分系统、 通风控制分系统等有机结合， 相互 配合； 3 变频控制系统能够对通风机及其附属设备进 行集中控制；能够实现对通风机常用与备用之间的 切换、 实现对通风机的反风操作， 能够对通风机及其 附属设备的实时工作状态进行监测、 记录、 显示并出 现故障时发出报警[ 3 ] 。 2变频控制系统的总体结构设计 为进一步提升变频控制系统的安全性和可靠 性 ， 本控制系统采用冗余设计的原则。在综合考虑 上述设计原则的基础上， 设计如图1 所示的变频控 制系统。 如 图 1 所示，变频控制系统主要包括有高低压 配电、 控制、 传动以及在线监测等功能， 且每个分系 统均采用的冗余设计，即当任何一分系统由于出现 收稿日期2019-11-22 作者简介王巧玲王巧玲1988 ,女， 本科， 毕业于东北大学采矿工程,女， 本科， 毕业于东北大学采矿工程 专业， 机电助理工程师。专业， 机电助理工程师。 故障或者处于检修时通风机仍可继续工作。 3各分系统的设计 3 . 1 高低压配电分系统的设计 变频控制系统高压配电分系统采用6 k V双回 路电源进线， 单母线分段接线方式;低压配电分系统 采用双回路电源进行方式，且系统的关键部分对其 采用不间断UPS供电， 预防市电供电发生故障时， 系 统停机现象[ 4 ] 。 基于冗余设计， 变频控制由传统的“ 一拖一” 控 制模式改进为当前的“ 一拖二” 控制模式， 提升了系 统的可靠性。 即,综采工作面的两台变频器可实现对 电机的四种拖动方式，与其对应的切换柜系统如下 页图2 所示。 3 . 2 传动分系统的设计 变频器为实现通风机机组变频控制的核心， 其 主要功能是通过改变频率实现对通风机电机转速的 控制， 从而达到对通风机风量调节的目的。 变频调速 原理如公式1所示 n60/ 1 - s /p . 1 式中m为提升机电机的转速;/ 为电机频率为转 差率;为提升机电机的极数。 根据控制需求,要求变 206* 机 械 管 理 开 发 jxglkfbjb 第3 5卷 QF1 3号 切 换 柜I 2号 变 频 器 1号 变 频 器 表2 1号PLC控制柜模块及数量统计 功能模块型号关键参数 数字量输入模块DI 6ES7321-1BLOO-OAAO 输人点数为32个， 负 载电压为24 V 数字量输出模块D0 6ES7321-1BL01-0AA0 输出点数为16个， 负 载电压为24 V 模拟量输人模块AI 6ES7331-7KF02-0AB0 输人点数为8个， 负载 电压为24 V 漠拟量输出模块A0 6ES7332-5HD01-0AB0 输出点数为4个， 负载 电压为24 V 在确保通风机机组可在实现其正常通风功能的基础 上 ， 达到节能、 延长设备使用寿命的功能， 其PLC采 用的程序采用模块化设计的原则。基于PLC控制程 序对变频器进行控制并切换，从而达到对通风机机 组的控制。故,PLC控制程序主要包括有组织块、 功 能块、 数据块等内容。基于上述原则， 设计如图4 所 示的PLC控制流程图。 4变频控制节能效果分析 通风机在实际生产中每天的耗能计算公式如 ⑵ 所 示 |程 序 初 始 化| 图4 PLC控制流程图 \ KM3 2 号 切 换 柜 \ KM4 图2切换柜系统图 频器能够与PLC和PR0FIBUS进行通信， 故变频器 具 有DP通讯接口。经调研所选择变频系统为无谐 波变频系统， 该变频电机的关键参数如表1所示。 表1变频电动机主要技术参数一览表 额定功率/kw400失步转矩倍数2.2 额定电压/V1 140绝缘等级H 额定电流/A216转速 /r*min_11 500 额定频率/Hz50工作定额S9 功率因数/95质量/kg4 000 效率/96 3 . 3 控制分系统的设计 3.3.1 PLC的选型 根据通风机机组的实际控制需求及应用场合， 选用的PLC控制需具有高可靠性、 高冗余性和可扩 展等功能。针对综采工作面生产过程中为确保综采 工作面的瓦斯浓度、 煤尘浓度等符合相关标准要求， 必须要求通风机时刻运行[ 5 ] 。 鉴于此， 对PLC控制系 统的冗余特性要求更高。PLC较好的冗余特性可以 时刻保证通风机的正常运行。 根据系统的控制需求，结合经济性的原则选用 PLC的型号为S7-400H系统， 且 该PLC系统的CRJ 型号为412-3H;冗余系统的型号为AS412-3-2H。 3.3.2 PLC硬件的设计 目前， 寺家庄矿共有2 套通风机机组， 故需对应 设 计 2 套PLC控制系统及PLC控制柜。 根据控制需 求 ， 将冗余系统安装于1 号PLC控制系统中， 同 时 1 号PLC控制柜由UPS供电， 其余两个控制柜由220 V 电源供电。本文着重对1号PLC控制柜的硬件进行 选型设计。 根 据 1号控制柜所控制通风机的及其辅助设备 的生产需求， 1 号控制柜中PLC的相关模块及数量 统计如表2 所示。 1 号PLC控制柜的硬件配置如图3 所示。 3.3.3 PLC软件的设计 结合通风机机组变频控制的实际控制需求， 旨 M 2 \ 丨号切换柜 2020年 第1期 王巧玲基于PLC实现对矿井风机机组的变频控制207- WV T U I tc o s p. 2 式中 取为耗电量；t/为压风机电机的运行电压， 取 6 kV;/为压风机的运行电流，其中在正常运行时 /i30A, 在空载运行时/2 18A;cosp为压风机空载 运行时的功率因数， 取 〇 .8;t为压风机对应工况的运 行时长。 改造前,压风机每天均处于正常运行状态，t24 h。 则改造前压风机耗电量为lF,\/r x6000Vx30Ax 0.8 x 24 h5 985.792 kW.h0 改造后， 压风机正常工况运行时间为18 h,空载 工况运行时间为6 h。则改造后压风机耗电量为见2 V T x6 000 V x30 A x0.8x 18hV3 x6 000Vx 18 A x 0.86 h5 387.213 kW-h〇 则每天可节约电能为T3 3 lF,-,-lF2 598.582 598.58kW h，， 每年可节约电量为识4360 2 1 5 488.512 4360 2 1 5 488.512 kW，，h。。 设工业用电每度为0.6元， 则经节能设计后每天压 风机每年节约电费为215 488_512 215 488_512 x 0.6 129 293 0.6 129 293元。 参考文献参考文献 [ 1 ] 曲素荣,贾燕茹.矿井主通风机变频调速系统技术改造[J].工矿 自动化,2010889-91. 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Key words working face; fan; frequency conversion; PLC; energy saving 上接第202页） [4]顾凯， 陈伟,汪大春输煤皮带机皮带撕裂检测装置的设计[J]. 设备管理与维修，2010534-37. 编 辑 贾 销 ） Intelligent Maintenance and Construction System of Conveying Belt Based on Sensor Construction in the Background of f,Internet M Wang Kai Shanxi Fenxi Project Construction Co. , Ltd. , Jiexiu Shanxi 032000 Abstract In engineering, the combination of multiple solutions and technologies can prcxluce systems that are more effective than using only one . Especially, infrared state monitoring CM, can realize more intelligent maintenance system by integrating all kinds of sensors. Based on this, this idea is extended by integrating various non-isomorphism technologies horizontally. The system is an Internet-based condition monitoring e CM prototype, which can identify abnormal tension in mobile hands. The results show that the belt tension can be determined by processing the vibration signal of belt by optical sensor that is, indirect sensing by using this novel detection and classification technique. The state of force. The flexible CAN bus technology is used to connect the sensor with the process controller through the Internet, and it is used with the low-cost microcontroller, and the built-in Ethernet link is used for data acquisition and transmission. The resulting integrated is more efficient and is particularly important in improving bottleneck processes and key components. Key words belt system; belt state monitoring; indirect sensing; intelligent maintenance; sensor