基于PLC选煤厂储煤仓通风机变频调速系统设计.pdf

收稿日期2019－05－31 基于PLC选煤厂储煤仓通风机变频调速系统设计 王培森 （山西西山煤电股份有限公司镇城底矿选煤厂， 山西太原古交030203） 摘要目前国内选煤厂大多采用传统的控制方式对煤仓通风机进行控制，效率低而且浪费能源，针对这一现象，设计了一种基于PLC选煤 厂储煤仓通风机的变频调速系统。对总体方案的结构与控制原理进行了设计，分析了变频驱动方案的优点，在硬件方面设计选型了PLC控 制器、变频器、风速传感器和串口通讯接口电路，在软件部分设计了系统主程序流程图。系统通过变频驱动的方式实现了风机的节能软起 动，双闭环反馈提高了控制精度，保持煤仓内的瓦斯浓度低于限定值，保障选煤厂生产安全。 关键词通风机；选煤厂；PLC；变频调速 中图分类号TD724文献标志码A文章编号1009－9492 2019 09－0159－03 Design of Frequency Control System Based on Fan of Coal Storage Bunker in PLC Coal Preparation Plant WANG Peisen （Zhenchengdi Coal Preparation Plant，Shanxi Xishan Coal and Electricity Co.，Ltd.，Gujiao 030203，China） AbstractAt present，most domestic coal preparation plants use traditional control s to control coal bunker ventilators，which have the disadvantages of low efficiency and waste of energy. In response to this phenomenon，a ventilator based on coal storage bin of PLC coal preparation plant is designed. Frequency control system. After comprehensive consideration of the working environment，the structure and control principle of the overall scheme were designed，and the advantages of the variable frequency drive scheme were analyzed. The PLC controller，inverter，wind speed sensor and serial communication interface circuit were designed and selected in the hardware. Part of the system main program flow chart is designed. The system realizes the energy-saving soft start of the fan through the frequency conversion drive mode，and improves the control precision through the double closed-loop feedback. The application of the system will keep the gas concentration in the coal bunker below the limit value，and ensure the safety of the coal preparation plant. Key wordsventilator；coal preparation plant；PLC；frequency control DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2019. 09. 051 王培森. 基于PLC选煤厂储煤仓通风机变频调速系统设计［J］. 2019，48（09） 159-161. 0 引言 通风机作为一种流体机械，通过输入的机械能提高气 体压力将气体送出，从而实现通风功能[1]。选煤厂作为煤 炭洗选加工的场所，其原煤仓与精煤仓存储大量的煤炭， 不可避免的产生瓦斯气体，瓦斯主要由烷烃组成，当达到 一定浓度时，遇到明火极易发生爆炸，威胁着选煤厂工人 的生命安全[2-3]。目前大多选煤厂对通风机的调速系统采用 传统方式进行控制，存在通风不及时，效率低等缺点，甚 至部分选煤厂采用365天24 h不停运转的方式实现瓦斯通 风，造成了极大的能源浪费[4-5]。所以研究设计一种高效、 可靠的通风机调速系统是提高选煤厂生产安全性，降低资 源浪费的重要课题。 1 系统总体方案设计 1.1 系统整体结构设计 本文设计了一种基于PLC控制器的通风机变频调速系 统，在对系统整体结构设计时，考虑到选煤厂原煤仓与精 煤仓普遍存在瓦斯隐患的现象，所以本系统决定采用由一 个PLC控制器分别控制2个变频器的方式，以达到两个煤 仓良好的通风效果。本系统的整体结构设计如图1所示， 其主要由调度层的监控主机与控制层的PLC控制器和各煤 仓的变频控制柜、通风机与传感器模块组成。在监测煤仓 的控制参数上，本文选择设置了瓦斯传感器与风速传感 器，其中风速传感器安装于通风机的出风口处，根据瓦斯 相对密度比空气低的特点，瓦斯传感器安装于各煤仓的顶 部。其中PLC控制器与调度层的监控主机通过串口通信 RS485的方式实现数据的传输。 在综合对比离心式通风机与轴流式通风机后，为了保 证煤仓的通风效率并考虑安装条件，本系统选用轴流式通 风机实现瓦斯通风。在对通风机进行调速控制时，由传感 器组实时监测煤仓内的瓦斯浓度，当瓦斯浓度高于设定值 时，打开通风机并处于高速通风状态，根据瓦斯浓度的变 化，PLC控制器通过控制变频器进行电机调速，改变通风 速度，当瓦斯浓度低于危险设定值时，通风机逐渐减速直 至关闭。本系统在完成通风要求的情况下实现了节约能源 第48卷第09期Vol.48No.09 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 159 的作用，选用的变频器驱动方式，实现了电机的软起动， 降低了由于频繁启停电机对系统设备造成的冲击。 1.2 系统控制原理设计 变频器是交流电动机调节转速最理想的方案，可以提 高电机转速的控制精度，并增加其节能效果。一般情况 下，电机驱动执行机构工作时，都会留有余量以确保设备 可靠运行，但是多余的力矩导致功率损耗，浪费了能源。 当采用变频技术调速时，通过改变电机的输入频率来改变 电机转速，从而改变通风机风速，可以有效的避免这种浪 费，大大提高了效率。由电机原理知，交流异步电动机的 转速 n 60f p 1-s（1） 式中f为电机的输入频率；p为电机磁极对数；s为 电机的转差率。 由式1可知，电机的输入频率于输出转速成正比，且 输入频率越大，输出转速越高。本系统的控制原理如图2 所示，系统采用双闭环控制的方式，实现对煤仓瓦斯浓度 与通风机输出风速的联合控制。根据传感器组传递回的数 据进行计算分析，PLC控制器发出相应的电信号，控制变 频器的启停和输出频率，从而实现对风机的转速控制，构 成了通风机的双闭环反馈控制。通风机闭环反馈控制系统 实时控制瓦斯浓度，满足煤仓内的通风需求。 2系统硬件设计 2.1 PLC及变频器选型设计 在对PLC选型时，综合考虑I/O点数估算值，存储单 元容量，控制器的运算功能与计算功能等特性后，本文采 用西门子S7-300系列可编程控制器。西门子S7-300是中 小型模块化的控制器，可以满足中等的控制要求，可以支 持用户的开发及日常维护，其主要功能特点包括数据处 理速度快，每一条指令的处理时间都在0.5微秒；人机交 互界面友好，系统编程简单，操作方便，可以快速的满足 普通开发需求；具有故障诊断功能，可以智能的监测系统 运行状态，事故分析方便[6-7]。 S7-300 主要由中央处理单元、电源模块、信号模 块、扩展接口模块等组成。其中信号模块即数字量输入输 出模块，其功能包括接受传感器传输来的信号，发送信号 给变频器等执行装置。 本文选用瑞士公司生产的ABB系列变频器，其主要应 用于工业大功率风机，由于其性能稳定，操作方便，功能 种类较多，所以在市场上占有较大份额。该变频器由四部 分组成，包括整流模块、逆变模块、储能模块与控制模块 [8]。整流模块将工频交流转变成直流，逆变模块将直流转 变成频率可调的交流，储能模块保证输出电压恒定，控制 模块由DSP处理器组成，控制输出频率的变化。 2.2 风速检测 本文选用GFW15型号的风速传感器，根据式2-1可计 算得到通风机出口处风速大小。GFW15传感器可通过其 显示屏直接显示风速大小，也可以将信号传输回PLC控制 器，完成风速监测。 QVS （2） 式中Q为通风机出口处的风量值，单位为m3/s；V 为风速测量点的风速平均值，单位为 m/ s ；S为选取测量 点的断面面积，单位为m2。 2.3 串口通信电路设计 本文选择RS485通信方式实现PLC控制器与监控主机 的信号传输，由于RS485具有较强的抗干扰能力，正常情 况下通信距离可达上百米，因此广泛应用于工业控制领 域。系统的RS485通信接口电路如图3所示，采用了Max⁃ im公司生产的MAX485芯片作为通讯的收发器，最高可实 现2.5 Mbps的传输速度，其采用5 V的电源供电，其中/RE 与DE为接受和发送的使能端，控制这两个引脚的电平即 可实现信号的接收和发送。在A端和B端之间并联了一个 电阻R1，阻值为100 Ω。 3 系统软件设计 系统的主程序流程图如图4所示。在主程序中，首 先需要对系统进行初始化，在初始化结束后，开始模 拟量的信号采集，PLC 通过循环扫描的方式读取各个 图1系统整体结构设计 图2系统控制原理图 图3RS485通信接口电路 2019年9月机 电 工 程 技 术第48卷第9期 160 模拟量采集点的数据，通过 对这些数据的处理分析，调 用风机的控制程序对风机的 启停与风速大小进行控制， 并调用存储程序与通信程序 分别实现数据的存储的传输 功能。在系统对风机自动控 制时，为了保障系统的工作 安全，还需调用故障监测程 序对系统的工作数据进行监 测，当系统发生故障时进行 报警并及时的切断电路，保 障设备以及人身安全。 4 结束语 本文设计了一种基于PLC的通风机变频调速系统，在 设备上采用轴流式通风机，控制结构上采用瓦斯与风速双 闭环反馈的方式，利用变频驱动，实现通风机的精准调 速。系统可实时监测煤仓内的瓦斯浓度调节通风机风速， 以保证一个安全的瓦斯浓度，提供了一种效率高，可靠性 好，能耗较低的通风机控制方案，为选煤厂工人的生命安 全提供保障。 参考文献 ［1］商坤，王建军. 变频调速在煤矿矿井通风机上的应用 ［J］. 煤矿安全，2006，37（7） 18-20. ［2］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. ［3］ 黄正功. 高瓦斯矿井选煤厂煤仓瓦斯规律模拟研究 ［D］. 太原太原理工大学，2013. ［4］陈伟. 全自动矿井通风机监测、调节系统的研究与设 计［D］. 株洲湖南工业大学，2007. ［5］基于PLC的选煤厂瓦斯监控系统的研究［D］. 太原 太原理工大学，2015. ［6］佚名. S7-300/400 PLC应用技术［M］. 2012. ［7］王正玮，赵忠祥，王德银，等. S7-300在煤矿主通风 机监控系统中的应用研究［J］. 煤矿机械，2009，30 （6） 168-170. ［8］ 梁学敏. ABB 变频器的传动控制及与 S7-400 的通讯 ［J］. 微计算机信息，2004（3） 68-69. 作者简介王培森 （1983-） ，男，山西古交人，大学本 科，工程师。研究领域机电。 编辑 王智圣） 图4系统主程序流程图 3 系统的软件设计 系统的用户参数设置好后，启动系统，变频器驱动1 号乳化液泵开始工作，压力传感器检测乳化液出口油压力 的模拟信号，经过调制解调转换为电流信号传输到处理 器，控制箱计算比较后，通过控制变频器来改变电机的输 入频率，进而控制乳化 液泵变频输出，保证液 压系统压力值维持初始 的设定值，在对 1 号循 环扫描结束后，启动子 程序，切换到 2 号乳化 液泵，继续对其进行循 环扫描。本系统设计的 主程序包括以下几个子 程序信号采集子程 序、定时扫描子程序、 故障检测子程序、控制 算法子程序、泵站切换 子程序和串口通讯子程 序。系统的软件主程序 流程图6所示。 4 结束语 本文设计了一种基于PLC控制的煤矿乳化液泵站变频 控制系统，设计分析了系统的整体方案，对硬件设备进行 了选型，设计了PLC与变频器的接线电路、传感器电路和 通信电路，对系统软件的主程序流程图进行了设计分析。 本系统的应用将实现对泵站的优化控制，在液压支架不工 作时，可控制其进入低功耗模式运行，降低了生产损耗， 节约了成本，并且系统工作可靠，可实现综采工作面的高 效、安全化生产。 参考文献 ［1］李首滨. 矿用乳化液泵站控制系统的现状及发展趋势 ［J］. 煤矿机械， 2011（6） 3-4. ［2］佚名. 矿用高压大流量乳化液泵站应用现状及发展趋 势［J］. 煤炭科学技术， 2015， 43（7） 93-96. ［3］孙远超. 变频技术和自动监控技术在乳化液泵站智能 控制系统中的应用 ［J］. 价值工程， 2016， 35 （6） 108-110. ［4］ 石晨迪. 乳化液泵站压力控制系统设计与仿真 ［J］. 机床与液压， 2017， 45（10） 128-130. ［5］袁利才. 矿用乳化液泵站的现状及发展趋势［J］. 山 西 煤 炭 管 理 干 部 学 院 学 报 ， 2009， 22 （3） 100-101. ［6］ 刘凯. S7-200PLC 在伺服电机位置控制中的应用 ［J］. 数字技术与应用， 2018（1） 17-17. ［7］闫肃， 谌海云， 杜振华，等. 基于PLC的直流电机转 速控制系统设计 ［J］. 自动化与仪器仪表， 2013 （6） 63-65. ［8］张侃谕， 余玲文. 基于s7-224的自动化温室控制系统 设计［J］. 自动化仪表， 2009， 30（2） 4-6. 作者简介关鹏帅 （1990-） ，男，山西襄汾人，大学本 科，助理工程师。研究领域机电。编辑 王智圣） 图6系统的主程序流程图 （上接第158页） 􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂 王培森基于PLC选煤厂储煤仓通风机变频调速系统设计 161