基于PLC控制的通风机变频调速试验研究.pdf

江西煤炭科技 J I ANGXI COAL S CI ENCE ＆ TECHNOL OGY 2 0 1 5年第 3期 N0．3 2 0 1 5 基于 P L C控制的通风机变频调速试验研究 杨 光 平煤神 马集 团平煤股份 一矿 ， 河南 平顶 山 4 6 7 0 0 0 摘要 详细 阐述了通 风机变频调速节能原理 ， 从变频 器 、 P L C的选择和风机变频 调速系统设计等方面给 出了基于 P L C控 制的通风机变频调速方案。试验研究结果表明， 通过调速变频改造实现了通风机的节能降耗和高可靠性， 对于提高矿井综 合效益具有 积极的意义 。 关键词 P L C； 变频器 ； 变频调 速； 节能降耗 中图分类号 T D6 3 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 6 2 5 7 2 2 O 1 5 O 3 0 0 8 4 0 3 Ex p e r i m e nt a l S t u d y o n Fr e q u e nc y Co n t r o l o f Fa n Ba s e d o n PLC Co n t r o l l i n g Ya n g Gu a n g No ． 1 Co a l M i n e ，Pi n g d i n gs h a n Co a l M i n i n g S h e n ma Gr o u p， Co ．， Pi n g d i n g s ha n He n a n 4 6 7 0 0 0 Ab s t r a c t By e x p o u n d i n g t h e e n e r g y s a v i n g p r i n c i p l e o f f r e q u e n c y c o n t r o l o f f a n， t h e p a p e r p r e s e n t s t h e s c h e me o f f r e q u e n c y c o n t r o l o f f a n b a s e d o n PLC c o n t r o l f r o m t h e a s pe c t s o f i n v e r t e r a n d PLC s e l e c t i o n， a n d t h e d e s i g n o f f r e q ue n c y c o n t r o l s y s t e m o f t h e f a n，e t c ．， wh i c h s h o ws t ha t e n e r g y s a v i n g a nd r e l i a b i l i t y c a n b e r e a l i z e d b y s pe e d f r e q ue n c y t r a n s f o r ma t i o n wi t h p o s i t i v e s i g n i f i c a n c e f o r i mp r o v i n g c o mp r e he n s i v e b e n e f i t s o f t he mi ne ． Ke y wo r d s PLC； i n v e r t e r ； f r e q u e n c y c o n t r o l ； e n e r g y s a v i n g 矿井通风机依 靠电机进行拖 动运转 ， 通风机 风量一般 按照矿井最大风量进行设定 ， 这样 会促使通风 机在矿井 生 产过程 中经常处于低 负荷运行。 。风机低负荷运行会造 成 电机大马拉小车效 率 降低 、 风机故 障率高 、 通风 系统稳 定性差等问题 ， 这样会一定程 度的增加矿 井生产成 本 。实 践表明 ， 通过改变通 风机 电机转速 可以实现通 风机风量 的 改变 ， 进而促 使通风 机处 于最佳 运行状 态 ， 目前调 速技术 主要包括定子电压 调速、 串级调 速 、 转子 串电阻调速 、 变频 调速等 ， 其中变频器 调速 已经证 明是最 为直 接 、 有 效 的调 速方式 ， 不仅 可以有效地实现风机 电机的无级变 频调速 和 恒压 、 恒风量控 制 ， 对 于降低 风机 耗 电量也有 起着较 好 的 作用。 。现以轴流式风机为研究对象进行通风机变频调 速改造试验研究 ， 通 风机所 配 电机功率 为 2 2 5 0 k W， 通 风机最大风量 1 2 6 0 0 m。 ／ mi n 。 1 风机 变频调速节能原理 通风机运行需要 电机拖动来 实现 ， 风机所配 电机为交 流异步 电机 ， 虽然该类 电机具有 体积小 、 运行 性能可靠 、 成 本低等优点 ， 但是其相 比于直流 电机存 在 的问题 是调速 复 杂 。随着交流电机调速技术 的发展 ， 调速技术 已经发展 为 定子 电压调 速 、 串级调 速 、 转 子串 电阻调速 、 变频调 速等 ， 其 中转子 串电阻调速为 目前最 为广泛 的调 速方式 ， 其 缺点 8 4 控制方式复杂 ， 电阻器 、 电刷等设 备损坏率 高 ， 调速性 能较 低 ， 静差率高 、 启动冲击电流 大 ， 对 于提高通 风机运行性 能 较为不利 ； 同时 ， 因通 风机 往往依 照最 大设 计所需 风量 进 行供风 ， 故其电能消耗量 大。变频调 速 已经 被证明是调 速 效果最好 的调速方式 ， 也越来 越被普及 。根 据 电机拖 动原 理可知 ， 对于异步 电机而 言 ， 通过 改变 输入 到 电机 定子 绕 组 电源频率可以改变该 电机 同步转速和转子 转速 ， 而 电机 转速随 同步转速 变化而 变化 ， 即 当电源频 率降低 时 ， 同步 转速降低 ， 电机 转速 也 随着降低 ， 反之 亦然 。通过 改变 电 源频率来达到 电机调速的技 术称为变频调 速 ， 变频调 速的 基本原理是 向电机提供频率 可变的供 电电源 ， 进而改变 电 机 的转速 。理论和实践表明， 单靠 改变 电源 频率会 因影 响 电机机械性能而不能实现电机正常调速 ， 故 在实践 中可通 过恒磁通调压变频调速 、 恒功率调 速和转差 频率调速等 调 速方式进行控制 。 图 1 为矿井轴流式通风机压力 H 一流量 Q 特 性 曲 线 图， A、 B 、 C分别为轴流式通风机 工况点 。图 l中 曲线 1 为调节前 HQ 特性 曲线 ， A点 风量 为 Q1 ， 当风量 由 Q1 减 至 Q2 时 ， 工况点 由 A变为 B， 轴功率面积 B H OQ2 相应 减少 ； 曲线 2为变频调 速后 的 HQ特性 曲线 ， 工况点 由 A变为 C ， 轴功率 面积 C H。 OQ 2 明显 B H O Q 2 更小 ， 且两 者之差 即为节省所得气体功率 。理论 研究表 明 ， 轴 流式通 风 机正常运行过 程 中， 风量 与转 速成 正 比 ， 功 率与 转速 的 三 次方呈正 比。故 通过 变频 调速 来 实现 电机 转速 的 降低 可 大幅度 降低 风机的输入功率 ， 例如风机转速将 低 1 ／ 2 ， 则 风量 为原 来风量的 1 ／ 2 ， 功 率仅为原 来 的 1 ／ 8 ， 节 能效果 显 著 ， 而这一 过程 的实现可以利用变频器来实现 。 甄 I ／ ／ 7 , ． ％ 0 图 1 轴流式通风机风压 H 一风■ Q 特性 曲线 2 P L C控 制 变频调速 方案 2 ． 1 变频器 的结构和选择 变频器 可分 为交 一交 变频器 和 交 一直 一交 变频器 两 种 ， 前者可直接 将工 频交 流 电变为 可控 交流 电 ， 后 者通 过 整流器 、 逆变器等组件后方 可变为 可控交 流电 。结合 矿井 风机和通风 系统实 际情况 ， 决 定选用 由西 门子公 司生产 的 MM4 3 0型变频器 ， 该型变频 器具 有 2 个 模拟 输入 、 6 个 隔 离带数字输入 和多 个继 电器输 入 ， 电机 驱动 数据 组 、 信 号 源等参数设定值 可 实现 自动 相互 切换 ， 同时 具有 1 5个 可 编程 固定频率 、 4个跳 转频率 和集 成通信 接 口等 。变频 器 具有 良好 的过载 、 过压 、 过热 、 防失速 等保护 功能 ， 另外 ， 还 可通过二进制互联技术 在数 字 、 通信等 输入与输 出之 间建 立布尔关系式 ， 进行其他功能 的编程 。 2 ． 2 P L C的选择和应用 可编程控制器 P L C 主要 由中央处理器 、 I ／ o接 口、 输 入 电源 、 存储 器等 元件 组成 。其 中， 中央处 理器 是 可编 程 控制器 的核 心组件 ， 由控制器 、 运算器 等元件组 成 ， 主要 起 到控制 、 接 收和 存储程 序 和数 据 的作用 ， 同时 可对故 障 和 错误进行诊 断和处理 ； 存储器 主要起 到数据 的存储 作用 ， I ／ 0接 口是起到 接 收和发 送数 据 的接 口组件 。结 合试 验 条 件决定选用 S 7 2 0 0系列可编程控制 器 ， 该 型号 P L C具有 结构 紧凑 、 可靠性 高 、 通信 功 能强 、 成 本低等 优点 ， 其核 心 组件采 用 CP U2 2 6， 运 算 速 度 和存 储 能 力 相 比于 以 往 的 C P U2 2 4提高 了近 3 o ， 且 可实 现 在线 程序 编 辑。 目前 ， 采用 P L C对变频器进行控制 主要有 频率输 出控制 端子 的 逻辑组合方式 、 通 过通讯监视 变频器方 式和模 拟量控制 方 式三种 ， 考 虑到现场试验 中采 用 2台变 频器控 制 2台轴 流 式 风机 ， 为一对 一控制 ， 且通讯 距离较 短 ， 故决定 采用模 拟 量控制方式来实现 P L C对变频器的控制 。 3 PLC 变频 调 速 系统 设 计 P L C控制程序包括 主控制程 序 、 各子程序 和 中断程 序 等部分 见 图 2 。主程序 可 以实 现风 机 的变 频 、 各 子程 序 和 中断程序 的控制 ， 实 现 P LC控制 系统 的各 保护 功能 ； 在 主程序执行前 ， 需 对风 机 自动变 频进 行判 断 ， 若 风机 自动 变频则逐步启动初始化和检查 子程序 ， 若其 余各子 程序运 行正常 ， 且变频器无故 障， 使用现场 安全 可靠 ， 则启 动风机 变频调速控 制 ， 根 据现 场 瓦斯 情 况进 行 程 序 的 中断 和持 续 ； 当风机不能 自动变频时 ， 则判 断其是 否为手 动变频 ， 然 后根据是否手动变 频进 行变 频器 故 障诊 断 和瓦 斯浓 度判 断 ， 若 浓度不超限则进行工频运行 ， 若瓦斯超则控制 中断 。 煤 矿安全 规 程 要 求 ， 矿 井 电机 、 开 关 工作所 处地 点 附近 2 0 m 范围内瓦斯浓度超过 1 ． 5 ％时必须切断 电源 ， 以 防瓦斯 事故。考虑 到矿井条 件的复 杂性 ， 决定 采用模 糊控 制法对 瓦斯浓 度进行 区域划分 ， 在不 同瓦斯浓 度 区域 范 围 内制定 变频器 模拟供 电电源频率 和电压值 ， 进 而通过 改变 输入 电压频率来实 现通风机的调 速 。根据矿 井实 际情 况 ， 设定 瓦斯浓 度为 0 ～0 ． 5 时 ， 供 电电源频 率为 3 0 Hz ， 变 频器输入 电压 为 6 ． 0 V； 瓦斯 浓 度为 0 ． 5 ～0 ． 8 时 ， 供 电电源频率为 3 4 Hz ， 变频 器输 入 电压 为 6 ． 8 V； 瓦斯浓 度 为 0 ． 8 ～1 ． O 时 ， 供 电电源 频率 为 4 0 Hz ， 变 频器 输 入 电压为 8 V； 瓦斯浓度为 1 ． 0 ～1 ． 3 时 ， 供 电电源频 率为 4 6 Hz ， 变频器输入电压为 9 ． 2 V； 瓦斯浓度为 1 ． 3 ～1 ． 5 时， 供 电电源频率为 5 0 Hz ， 变频器输入电压为 1 0 V。 图 2 PL C 主控 制 程序 流 程 框 图 4 应 用效果分析 通过技术改造实现 了矿井通 风机 的基于 P L C控 制 的 变频调速 ， 有 助于提高通风机运行 稳定性 和使用 寿命 。同 时 ， 通过变频 调 速 实现 了通 风 机 平滑 无 级启 动 和 自动 调 速 ， 对 于提高通风机 节 能降耗 也有 着积 极 的意义 ， 根据 近 期运行 效果可知 ， 自通 风机改 造 以来 ， 矿 井 每月 可节 约用 电 4 5 0 0 0 k Wh ， 折合人 民币约 3 ． 2 5万 元 。我 国 节约 能源 法 已经将变 频调速技术作 为节能重点推广技术 ， 且随着 8 5 江西煤炭科技 J I ANGXI COAL S CI ENCE TECHNOLOGY 2 0 1 5年第 3期 N O． 3 2 01 5 浅析主通风机远程监测监控系统 张锐 西山煤电集团 机电处设 备科 ， 山西 太原 0 3 0 0 5 3 摘要 简要介绍了煤 矿主要通风 机远程监测监控 系统 的概况 ， 并 以西 山煤 电杜儿坪矿东风井主通风机房的在用网络在线 监测监控系统为例 ， 阐述 了主要通风机网络监控 系统 的特点 ， 通过对监测监控系统的硬件 和软件 的介绍 、 了解 ， 为下一步主 要通风机房实现无人值 守、 远程启动、 停止 主要通风机等多项操作做好 准备 工作 。 关键词 主要通风机 ； 监 测监 控； 远程控制 ； 工业 以太环网 中图分类号 T D6 3 5 文献标识码 B 文章编 号 1 0 0 6 2 5 7 2 2 O 1 5 O 3 0 0 8 6 0 3 An a l y s i s o f Re m o t e M o n i t o r i n g a n d Co n t r o l l i n g S y s t e m f o r M a i n Fa n Zh a n g Ru i Eq u i p me n t Di v i s i o n， El e c t r i c a l a n d M e c h a n i c a l Se r v i c e s De p t ．， Xi s h a n Co a l Po we r Gr ou p Co ．， Ta i y u a n S ha n x i 0 3 0 0 5 3 Ab s t r a c t Ta k i n g t h e n e t wo r k o n l i n e mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l s y s t e m o f ma i n v e n t i l a t i o n e n g i ne r o o m i n e a s t wi nd we l l o f Du e r p i n g Co l l i e r y i n Xi s h a n Co a l Po we r Gr o u p Co ． f o r e x a mpl e ， t he p a p e r e x p o u n d s t h e f e a t u r e s o f n e t wo r k mo n i t o r i n g s y s t e m o f ma i n f a n i n c l u d i n g i t s ha r d a n d s o f t wa r e f o r t he n e x t s t e p f o r u n a t t e n d e d i n ma i n v e nt i l a t i o n e n g i n e r o o m ， r e mo t e s t a r t i n g a n d s t o p pi n g ma i n f a n ． Ke y w o r d s ma j o r f a n ； mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l ； r e mo t e c o n t r o l ； i n d u s t r i a l E t h e r Ne t 1 概 述 煤矿主要通风机配用远程 监测监控 系统 ， 其 主要 目的 是 为了在煤矿地面集 中控制 中心 ， 集 中对 矿井 的主要 通风 机进行远程 的开启或停止操作 ， 以及在线监测 监控 主要通 风机运行参数 的功能 ， 实现 主通风 机房无 人值 守 ， 达 到减 人增效 的 目的， 实现在煤矿地 面集 中控制 中心对 主要 通风 机 的远程开停控制和监测的功 能操作 。 主要通风机远程监 测监控 系统必须采 用质量好 、 可靠 性 高的 P L C控制器作 为硬件支持 ， 同时选 用先进 的过程控 制 软件 ， 配合上位 工控 机进行 监测 ， 综合考 虑 主通风 机运 行 时的各种安全 因素 ， 完成电气参数 、 气动参数 、 温 度参数 等各类信号 的采 集检 测和现 场设 备 的远程操 作 。实现 主 要通 风机监测监 控 系统 的实时 报警 ， 运 行信息 显示 ， 历史 报表统计 和处理等功能操作 。 监测监 控 系 统 中 的 P L C P r o g r a mma b l e L o g i c C o n - t r o l l e r ， 可编程控制器 主要用来对风机运行或停 止状态下 的电压 、 电流 、 各种温度 、 负压 、 风速 实时进行采集 检测 ， 并 同时完成风量 、 全 压等 数据 的计算 ， 此外 还对高 压开关 的 状态进行监测 ， 配合上位工控机完成远 程监测监 控系统 的 显示 和操作功 能。 2 系统 功 能 1 系统 配置了先进 的可编程控制器 ， 数据处理能力 国内煤炭形势 的不断下滑 ， 通过 P L C控制 的变频 技术可有 效 实现通风机节 能 ， 提 高通风 机使 用性 能和使 用寿命 ， 对 于实现矿 山节能降耗和提高经济效 益具有重要 的意义 。 参考文献 C 1 3赵永刚 ， 许爱娟 ．变频器在煤矿主通风机 系统中 的应用 [ J ] ． 煤矿机 电， 2 0 1 0 ， 2 8 9 9 1 ． E 2 3尹成勇 ．高压变频器在煤矿通 风机 的应 用E J 3 ．山东 煤炭科 技 ， 2 0 0 9 ， 1 ； 1 3 3 ． E 3 3贾永伟 ．变频器在煤矿主通风机 系统 中的应用 E J 3 ．内蒙古 8 6 煤炭经济 ， 2 0 1 3 ， 1 7 9 ． E 4 3梁南丁 ， 李焱琳 ． 基 于高压变频器技术 的矿井 通风机节能改 造 E J 3 ． 机 电产 品开发与创新 ， 2 0 1 0 ， 2 3 3 1 6 6 1 6 7 ． E 5 3李佳睿 ．矿井通风机 中压变频 器调速 系统设 计及应 用 C J 3 ． 机械管理开 发， 2 0 1 3 ， 2 1 0 2 1 0 4 ． 作者简介 杨光 1 9 8 3 ～ ， 男 ， 河 南许 昌人 ， 本科 学历 ， 助理工 程师 ， 现从事煤矿 机电管理工作 。 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 1 1 编辑 胡 中祺