基于PLC及变频技术在煤矿通风机节能改造中的应用分析.pdf

942016 年第 6 期 基于 PLC 及变频技术 在煤矿通风机节能改造中的应用分析 王志军 （大同煤矿集团金庄煤业有限责任公司，山西 大同 037100） 摘 要 该文简述 PLC 及变频技术在煤矿上的运用，探讨基于 PLC 技术及变频技术对通风机的集控系统改造升级，使通 风机能耗显著降低，提高了企业经济效益。 关键词 PLC 技术 变频技术 煤矿机电设备 通风机 中图分类号 TD635； TM921.51 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2016.06.042 Application Analysis of Energy-saving Technology in Coal Mine Mechanical and Electrical Equipment Modification Wang Zhi-jun Jinzhuang Coal Industry Co., Ltd., Datong Coal Mine Group, Shanxi Datong 037100 Abstract This paper briefly described the use of PLC and frequency conversion technology in coal mine, discussed the transation and upgrading of ventilator integrated control system based on PLC technology and frequency conversion technology, which have significantly improved energy saving level of ventilator, effectively reduce the mining cost, and greatly improve the energy saving efficiency of the coal enterprise. Keywords PLC technology variable frequency technology coal mine electrical and mechanical equipment ventilator 收稿日期 2016-03-29 作者简介 王志军，（1987-），男，山西大同人，2012 年毕业 于大同大学机械工程专业，助理工程师。 在矿井开采中，通风机必须做到全年不间断运 转，功率大、耗电量大。通风机的总耗电量在矿井 总耗电量中约占 1520，在有些矿井甚至占到 30 以上 [1]。传统通风机多为异步电机拖动，通过 恒转速来进行控制，利用风门或蝶阀节流耗能降低 风量，这样的操作在很大程度上造成能量浪费，利 用率低下 [2]。因此，设计出一套安全高效节能的通 风机控制系统是确保矿井安全高效开采的重要任务。 以山西潞安矿务局煤矿通风机电控制系统为研究对 象，基于 PLC 技术及变频技术对其进行改造升级。 1 PLC 及变频技术概述 1.1 可编程控制器 PLC（可编程控制器）为一种工业环境下的电 子数字运算操作系统，利用可编程存储器对系统执 行定时、顺序控制、计数、逻辑运算等操作指令， 利用数字输入、输出对机械生产过程 [3]。PLC 的模 块化结构，组合灵便、抗干扰性强、编程简单、可 在线修改，在矿山机电设备中被广泛应用。 1.2 变频技术 变频技术是指让电流频率改变的一种技术，利 用变频器对设备进行控制。变频器主要包括电源板、 电机、键盘、控制主板等结构，这些部件组合起来 组成变频器，变频器是利用电力半导体器件的通断 作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置， 并据此对设备运行进行调节。 将 PLC 技术及变频技术结合起来对煤矿通风机 进行改造升级，在节能的同时也能大大提高机械利 用率。 2 基于 PLC 技术及变频技术的矿井通风机改造 2.1 改造前的矿井通风机 山西潞安矿务局煤矿通风机原有两台，都是大 型高效的抽出式的轴流式通风机。通风机的各项参 数如表 1 所示。通风机在改造前存在以下问题电 机启动时直接从停止切换至满负载运行，启动电流 对电机造成较大冲击，启动后通风机全速运行，利 用风门大小改变调节风量，能源浪费大，控制精度 低，且仅依靠零散仪表及操作师傅经验对通风机进 952016 年第 6 期 行运行状态监测及故障判断，安全隐患较大。 表 1 通风机技术参数 型号 电压 V 功率 kW 转速 r/min 最大 风量 m3/s 叶轮 直径 mm 轮毂 直径 mm 级 数 AGF606- 3.0-1.58-2 60001250745218300015802 2.2 改造原则 （1）确保通风机长期不间断运行，对控制系 统在设计时应本着简单实用、可靠安全、保证通风 量这一原则；（2）改造后高低压配电、变频拖动、 通风机控制、在线监测几个部分不能脱离，应有机 结合 [4]；（3）改造后的通风机需要满足系统规定的 控制功能能满足对两台通风机及附属设备进行集 中控制；能简单方便对两台通风机进行反风操作； 能对通风机运行状态进行实时在线监测，有报警及 故障显示功能。 参照上述原则，将 PLC 技术及变频技术结合起 来，基于这两种技术对通风机的集控系统进行改造， 经过现场安装调试，系统运行平稳、可靠，节能效 果显著。 2.3 基于 PLC 技术及变频技术的矿井通风机改造 2.3.1 变频器工作机理及优点 （1）输入特性纯净。只要变频器的额定容量 大于输入容量就可以满足电压、电流谐波畸变的标 准，能够让系统在线设备不受谐波干扰；（2）功 率因数提高。功率因数为有功功率在总功率中的比 值，高功率因数是指变频器中所输入的电流比向电 机内提供的功率效率低，低功率因数是指变频器中 所输入的电流比向电机内提供的功率效率高 [5]，变 频器功率系数低会出现方波电流， 引起谐波及谐振； （3）正弦波输出完美。变频器在设计中进行无谐 波设计，变频器本身就可以提供正弦波输出，不用 额外使用外部输出滤波器。变频器在工作中只能产 生较少失真的电压波形，且变频器消除了能导致电 机发热的所有有害谐波，电机不用降额使用，消除 变频器的转矩脉动，大大降低机械设备磨损，增加 机械设备使用寿命。 2.3.2 系统改造 在充分掌握了通风机控制工艺基础上，基于 PLC 技术及变频技术，对通风机控制系统从配电、 传动、控制、在线监控这四个部分进行设计，控制 系统各个部分无缝衔接，有机融合，确保系统能够 长期安稳运行。具体设计方案如图 1 所示，图中所 标示的三条粗细不同线条分别表示高压、低压供电 电路及控制电路。 图 1 基于 PLC 技术及变频技术的矿井通风机改造 系统分为如下几个主要部分 （1）高低压配电部分。系统高压部分电源进 线采用 6 kV 的双回路进线，接线方式为单母线分段 接线，中间利用母线联络；低压部分电源进线方式 同样为双回路进线，末端利用双电源的互投装置让 系统的工作 \ 备用实现自动切换，关键部分用 UPS 进行不间断供电，确保供电可靠性。 （2）传动部分。传动部分中，一台变频器只 对一台电机的运行起拖动作用，拖动冗余利用切换 柜来实现，两台变频器拖动方式增加为四种。变频 器控制方式有两种模式远程模式及就地模式。远 程模式下，变频方式为双通道控制，利用外部硬接 线还有专用通讯这两种方式来实现可靠性控制。就 地模式下，变频方式自操作面板实现，使变频器不 能启动时通风机的运转事故得以避免。 （3） 控制部分。系统的上位机以 PLC 当作 控制核心，利用工控机、触摸屏及操作台结合起来 进行控制，单个设备故障不会对通风机正常运转造 成影响，工控机的控制命令一旦发出，通过交换 机，利用以太网将命令传给 PLC，PLC 控制相应设 备。操作台利用硬接线方式控制通风机及辅助设备 起停，不依赖 PLC 控制，确保系统在 PLC 系统故 障下操作台仍能正常工作。系统的下位机选用 S7- 400H 这种高可靠性的 PLC 当作控制器，重要部件 进行冗余配置，故障时系统可自动将故障单元切换 至备用单元上，确保系统维持不间断工作； （4）在线监测部分。对在线监测，系统通过 双套工控机、触摸屏及操作台相互备用实现，系统 利用采集模块对现场数据（供电系统的数据、设备 的运行数据、传感器所检测出的通风工艺参数等） （下转第 98 页） 982016 年第 6 期 进行采集，将数据输送至 PLC，PLC 处理后传送至 上位机，实现对数据的统一监控。 2.3.3 系统的故障处理 （1）如高压出现一回路故障，可利用另一回 路实现对两台通风机的供电。操作中需注意高压柜 在进行合闸、分闸操作时需选择就地远程操作，不 然不能完成操作。 （2）如出现无法对相应设备进行操作的故障， 需首先确认操作模式，可以更换模式后重新操作， 如果操作仍无法执行，需考虑切换通风机。 （3） 如一台通风机上出现辅助设备故障，故 障不能立刻解决，需启动备用通风机上的辅助设备， 进行备用通风，防止事故出现。 （4）如果变频故障指示灯亮起，应首先确认 操作模式，通过故障复位按钮完成故障复位，如故 障无法完成复位，需将备用风机启动。 （5）如果变频运行，但通风机不能正常运行， 应检查切换柜运行状态。 3 结语 通风机为矿井通风重要设备，通过 PLC 技术及 变频技术对通风机的集控系统进行改造升级，让两 台通风机实现软启动及软停车，使 PLC 同变频器间 实现 PROFIBUS-DP 通讯，PLC 同计算机及触摸屏 间实现以太网通讯，通风机节能成果显著提高，有 效降低采煤成本。 【参考文献】 ［1］ 高月清 . 变频技术在煤矿机电设备更新改造中的 应用分析 [J]. 科技与企业 ,201412343. ［2］ 杨明海 . 机电设备在煤矿企业中的日常维护与检 修 [J]. 科技创业家 ,20132263. ［3］ 刘艳红 . 煤矿机电设备维修管理模式及发展趋势 分析 [J]. 企业技术开发 中旬刊 ,2014591. ［4］ 陈淑彬.PLC技术在煤矿机电设备控制中的应用[J]. 科技与创新 ,20155152-153. ［5］ 陈卫斌.试析煤矿机电设备系统的节能降耗措施[J]. 中国科技博览 ,20144124. （上接第 95 页） 认识，转变工作观念，增强每一位员工对市场化运 作的主动性、自觉性和创造性。 （2）加强制度建设。建立健全内部市场化机 制及各项规章制度，建立岗位责任制，明确职责范 围 [5]。对于出现收入差距悬殊进行观察，对于特殊 原因的制定出相应制度。如对于同一岗位，因身体 原因造成的，可以视情况酌情对该员工考核从单价 上相应提高一些，避免出现过大收入差距。 （3）培育高效的市场化人才。企业注重创新， 挖掘内在潜力，正培育出一批高效、专业市场化人 才，加快企业内部市场化管理实施进程。将人才队 伍进行合理化配置，采取以点带面、分步实施的措 施，逐步完善企业内部市场化建设。 （4）精细标准化管理动态化。市场原本就是 一个动态存在体，每一刻都会发生变化。采掘装备 制造公司内部市场化管理，在发现问题到解决问题 这一过程逐步完善。对于制定的精细标准化管理， 依据管理过程中出现状况，及时修复调整，做到内 部市场管理动态化。 4 结语 兖矿东华重工采掘装备制造公司推行内部市场 化管理，有利于企业从行政化、经验型管理向市场 自主化、科学化管理，有利于企业从粗放型经营向 精细标准化管理，有利于企业从重生产轻经营向市 场化管理理念转变，改变企业慵懒思想，激发企业 内部活力。 采掘装备制造公司在积极寻求自己企业发展的 内部市场化管理，在实践探索出适合自身特点的市 场化运作模式，是内部市场化的推演和革新，也使 内部市场化真正有助于企业摆脱困境。 【参考文献】 ［1］ 郑刚，闫德科 . 国有煤炭企业内部市场化管理浅 析 [J]. 煤炭科技，2008（3）98-100. ［2］ 张瑞玉 . 浅议煤炭企业内部市场化管理 [J]. 企业技 术开发，2010，29（24）7-9. ［3］ 何新香 . 浅析煤矿企业内部市场化管理 [J]. 科技信 息，2010（22）59. ［4］ 吴佩钧 . 优化企业管理流程 试行内部市场化管理 [J]. 经济师，2012（1）264-265. ［5］ 轩红玲 . 浅谈煤炭企业内部市场化管理的问题及 对策 [J]. 科技情报开发与经济，2010,20（3） 203-205.