矿井主扇风机控制系统变频改造设计.pdf

第 3 1卷第 O 3期 2 0 1 0年 0 3月 煤 矿 机 械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 1 ． 3 l No ．O 3 Ma r ． 2 01 0 矿井主扇风机控制系统变频改造设计 李德臣 l g 张涵 2 , 3 。王峰 1 ． 中国矿业大学 信 电学院 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 中国矿业大学 管理学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 3 ． 九州职业技术学院 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘 要 针 对我 国煤 炭行 业风机 系统 的应 用现状 ， 全 面 、 深入 、 系统 地研 究 了风机 的 运行 和控 制规律， 开发 了一种基于 P L C与变频器自动控制 系统。系统采用节能效果显著的变频器为风机 系 统供电． 实现 了风机 系统的节能 该 系统已经在现场得到 了成功的应用 关 键词 主扇 风机 P L C 变频 器 ；节能分析 中图分类 号 T D 4 4 1 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 30 1 8 00 4 Re f o r me d De s i g n o f M i n e M a i n Ve n t i l a t o r Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n I nv e r t e r LI De c h e n ，ZHANG Ha n 2 ，W ANG F e n g 1 _ S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， C U MT ． ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f M a n a g e m e n t ， C U MT ． ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a ； 3 ．J i u z h o u C o l l e g e o f V o c a t i o n＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e a p p l i c a t i o n o f t h e a i r b l o we r s y s t e m i n c o a l i n d u s t r y i n o u r c o u n t r y ，h a s s t u d i e d t h e r u n n i n g a n d c o n t r o l l i n g r u l e o f t h e a i r b l o w e r c o mp r e h e n s i v e l y ， t h o r o u g h l y a n d s y s t e ma t i c a l l y ． a n d t h e n d e v e l o p e d a n e w k i n d o f a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f t h e a i r b l o we r b a s e d o n t h e P L C a n d i n v e r t e r ． T h e s y s t e m u s e s t h e f r e q u e n c y c o n v e r s i o n，o f w h i c h h a s e f f e c t i v e e n e r g y c o n s e r v a t i o n ， t o s u p p l y t h e p o w e r t o t h e a i r b l o w e r s y s t e m， a n d i t h a s r e a l i z e d t h e e n e r g y c o n s e r v a t i o n， a n d t h i s s y s t e m h a s g o t t h e e f f e c t i v e a p p l i c a t i o n i n s o me c o a l i n d u s t ry． Ke y wo r d s ma i n v e n t i l a t o r PLC；i n v e r t e r ；e n e r g y c o n s e r v a t i o n e f f e c t 块 、 A ／ D和 D ／ A模块以及通讯模块等。 所示 ， 则总能耗为∑ 1 ． 4 6 9 9 k W． h 2 ． 4上位监控 系统 与 网络通 讯 系统 表3 各加速级能耗 上位机利用组态软件 I F I X． 将由 P L C采集的各 种信息 ． 通过上位机进行显示 该系统可以显示提 升机的运行状态、 速度图、 力图 、 故障信息等。同时 通过 O P C技术 ． 将提升机的各种状态在运行状态进 行网络发布 ． 从而实现矿井提升机运行状态的远程 监测与信息化管理 3 系统节 能效果分 析 传统 T K D系统需要在转子回路 中串电阻以降 低启动 电流和能耗制动 ．这就需要消耗大量 的电 能 现以成庄矿副斜井为例进行分析 ． 电机参数见 表 1 。 通过计算各级启动电阻和加速时间如表 2 所示 表 2各加 速 级启 动 电 阻与 加速 时 间 各加速级 加速电阻／ D , 时间／ s l p r 1 3 4 6． 5 A 1 3 96 A ， a v l 7 4 5 A 各加速级 l Wl W2 W3 W4 W5 W6 假设副斜井每天使用 2 0 0次 ． 则每年消耗在启 动电阻上的能耗为 1 ． 4 6 9 9 2 0 0 x 3 6 5 1 0 ． 7万 k W h ． 能耗极大 而采用转子双馈系统后 ． 由于没有启动 电阻 ． 这部分能耗可以忽略不计 ． 每年可以节约大 量 的 电能 4结 语 本文设计了基于 “ 全数字变频调速 多 P L C冗 余控制 上位机监控” 全数字电控系统 ． 实现了对传 统 T K D系统的改造 ，具有更高的可靠性。同时， 由 于采用变频技术 ．使提升系统在煤矿生产期间 ． 具 有优 良的节能效果 ． 提高了经济效益。 参考文献 [ 1 ] 王峰 ， 何凤有 ， 郭 峰． 主井提升机 的数字化 与信息化改造[ J ] ． 煤 矿机械。2 0 0 8 ， 2 9 4 1 4 3 1 4 5 ． [ 2 ] 周佩华 ， 王峰 ， 陆行先 ， 等． 吕家坨煤矿老主井提升机 电控系统的 数字化改造 [ J ] ． 1 矿 自动化 ， 2 0 0 4 4 4 3 4 5 ． [ 3 ] 杨波 ， 王 峰， 刘 自学 ． O P C技 术在提升机远程监控 系统中的应用 f J ] ． 煤矿机电， 2 0 0 9 3 8 7 8 8 ． 作者简介 魏英 琴 1 9 8 1 一 ， 女， 山西晋城人 ， 2 0 0 0年毕业于阜 新煤校 电气 自动化 ． 研究方 向电力 电子与电力传动 ． 已发表 论文多 篇 ． 电子信箱 w a n g w f 1 2 3 1 1 6 3 ． c o i n ． 在一个循环时间内启动时各级电阻功耗如表 3 责任编辑 侯淑华收稿日期 2 0 0 9 1 1 1 1 1 8 0～ 第 3 1 卷第 0 3 期 矿井主扇风机控制系统变频改造设计李德臣， 等 V o 1 ． 3 1 N o ． 0 3 1 改造 原则 目前我 国矿山用风机调整风量方法基本上有 2 种 1 机械调整风量 ， 2 电气调整风量 。机械调整 风量是调整叶片角度和调整空气网络阻力的方法 ， 调整叶片角度可以调整风量 ．但风机的效率较低 ． 调整网络增加系统阻力可调整风量 ， 但不节电。电 气调整风量 ， 即电气调速 ， 调整 电机 的极对数 ； 或调 整电源频率 。 即变频调速。另一种方法是串极调速 ， 其中串极调速和变频调速是调整风量的最佳方法 。 因为风量与功率和转速是立方的关系． 调整风机转 速， 可以获得最佳的效果 。因此 ， 在进行矿井主扇风 机 改造 中 ．进行 基 于 P L C的 变频 改 造 就是 首 选 方 案 。 基于 P L C与变频器控制 的主扇风机 自动控制 系统硬 件主要 包括 先进 的西 门子 G1 5 0变频 器 、 B D K 5 4系列煤矿防爆主扇风机、主控 P L C控制柜 、 以及与之配套 的高压开关柜 、低压 电源柜 、 U P S电 源、 传感器若干及集控室的服务器和监控计算机等 系统整体结构如图 1 所示。 中央 靠 控 宰 对 旋轴流肛l 机的 2 组 jc ⅧL 电机 图 1 系统的整体构架图 该系统可以对风机的风量进行变频控制 ．提高 了效率 ． 节能 3 0 ％以上； 采用先进 、 可靠的传感器及 计算机技术实现了主通风机性能及状态的在线实时 监控。能够在生产过程 中掌握主通风机运行参数和 状态 ． 改变了传统的设备管理方式 ． 提高了主通风机 设备的自动化管理水平 。有力地保证了主通风机设 备的经济 、 可靠运行 ， 为设备的管理和维修提供了可 靠的科学依据 高可靠性的工控 P L C实现通风机的 在线监测及控制．并通过与中央集控室的工业控制 计算机联网。 实现通风机的远程监视和控制． 达到无 人值守的 目的．为了远程监视和控制风机的运行状 况． 搭建工业以太网平台来完成其监控 ． 进而把风机 的运行状态参数及 故障信 息发布到 I n t r a n e t 甚 至 I n t e ／ T i e t 网上． 这样多位专家和技术人员可以在异地 同时对风机的运行状态分析 ． 提高办事效率 2系统功能 实现 系统的高压配电系统由 6台高压柜组成 ．包括 高压变压器柜 3台、 2台进线柜、 1 台母联柜 。 每台高 压柜配备有上海南 自的 自动化综保装置 1台． 其 中 1 变压柜与 2 变压柜互为热备用 ． 当一台因故退 出 时． 另一台可以热备用为低压柜供电． 提高系统的供 电可靠性 每台变压器为三绕组变压器， 变压等级为 6 k V ／ 6 6 0 V， 连接方式为 D ／ y l 1 、 Y ／ y 一 0 ， 这样每一风 道的 2台低压柜进线电源相位相差 3 0 ． 有利于消除 变频器引起的谐波． 3 变压器为单绕组变压器． 变压 等级为 6 k V ／ 3 8 0 V． 连接方式 Y ／ y 一 0 ． 为风机控制室 的低压控制柜、 P L C控制柜 、 照明及其他低压用电设 备提供电源 高压进线采用双进线结构． 保证在一进 线因故退 出的情况下 ， 另一进线能实现快速供电． 在 安装的过程中．要检查两进线的相序 ．使之完全一 致 ． 防止双母线热备用时出现两相间的短路。 母联柜 是两进线的连接通道 ， 双母线热备用时， 母联必须在 合闸状态 ． 当单母线供电或检修时 。 母联和相应的进 线柜都应在分闸状态。 另外 ， 为了保证无人值守过程 中的参数采集及设备实时检测和故障诊断的顺利进 行 ．在每一台高压柜上都配备了上海南 自的电力综 合保护单元 ， 实时检测各高压柜的电流 、 电压、 功率、 开关位置 、 以及相应的故 障状态 ， 然后通过 P L C的 4 8 5总线上传到 P L C 系统的低压配 电系统采用与高压配 电系统类 似的结构形式 ． 由 8台低压柜组成 ． 4台为变频器电 源开关柜 ， 2台低压进线柜 ， l台母联柜， 1台抽出式 多功能柜 ． 柜体包含 8个抽屉 ， 分别为 1 风 门电机 电源、 2 风门电机电源 、 照明、 P L C控制柜电源、 电机 除湿 、 备用等。每台低压柜都支持就地 、 远端 2种分 合闸方式 ． 低压柜的远端控制直接 由 P L C控制柜的 继电器来控制。每台低压柜的开关信息及 电流、 电 压信息由电压 、 电流互感器测量后直接输入 P L C的 数字量 、 模拟量模块 ． 再 由 P L C经以太 网上传到集 控室 。 本 系统中采用的是 B D K 5 4系列煤矿防爆主扇 风机 ， 有 2个风道 ． 互为备用 ， 每风道有 2台防爆电 机拖动 ，风机的隔爆电机安装在风机简体中 ，每 2 台隔爆 电动机分别驱动 2组工作 叶轮来完成通风 ． 2组工作叶轮相对安装 ， 叶轮线型扭曲相反． 旋转方 向相反 ． 通风气流方 向相 同 该系列的通风机具有压 力增益大 ． 效率高 。 结构简单和轴 向尺寸小等优点。 风机叶轮与电机采用直联方式 ． 减少 了长轴联接方 一 1 81 ～ V o 1 ． 3 1 N o ． 0 3 矿井主扇风机控制系统变频改造设计李德臣． 等 第 3 1 卷第0 3 期 式的 S形风道带来的安全隐患及维护麻烦 结构上 B D K系列为双叶轮对旋式 ． 其叶片安装角度均为可 调式 ．可在 4 8 。 ／ 3 6 。 、 4 5 。 ／ 3 3 。 、 4 2 。 ／ 3 0 。 、 3 9 。 ／ 2 7 。 、 3 6 。 ／ 2 4 五组合角度间任意调整。 转动部分为电机内置结 构． 电机的通风散热介质与风机输送的介质相互隔 离． 保证装置的安全性及高效性。另外 ， 根据生产需 要 ． 对旋风机也可单机运行 ． 对旋风机 比单机运转 可增加风量 4 5 ％～ 7 0 ％． 增加风压 1 0 0 ％ 1 9 2 ％． 与双 机 串联运转 比。 风量可增加 2 5 ％． 风压可增加 5 0 ％ 左右． 对中高阻力矿井增加更为显著。 风门系统 由2 台 1 5 k W 的普通型三相交流电机拖动 ． 采用上下垂 直提升式风 门． 无速度调节功能 ． 由上下限位传感 器来决定风门提升的到位停车控制 2台风门的提 升采用了硬件闭锁 ． 防止出现 2台风门同时提升到 位的情况 ． 引起风机两风道的风量短路。 P L C控制系统是风机系统的核心 ．其主控单元 和各测量装置的好坏直接关 系到控制功能和控制 效果的实现。因此 ， 在综合考虑可靠性、 稳定性 、 处 理速度和通讯功能等多项指标的基础上 ． 考虑采用 西门子的 S 7 3 0 0系列 P L C作 为本 系统的主控单 元。该系统主要完成如下功能 控制和检测高压配 电系统 的开关状态 ． 通过 4 8 5总线通讯 ． 利用系统 设置的综保单元 ． 实现对高压配电系统电气参数 的 采集 控制和检测低压配 电系统 的开关状态 ， 实现 对低压配电系统 电气参数 的采集 控制和检测变频 器的运行状态 ． 利用 p r o fi b u s总线通讯 ． 实现变频器 运行参数的在线采集 ． 实时检测风机电机的温度和 振动参数 ． 利用电机定子线圈预埋的温度传感器和 电机上装设的振动传感器 ． 实现电机工况参数的实 时监测 为系统控制算法的快速处理 ， 提供可靠的 平 台 完成系统实时数据的以太网发布 ， 为远程监 控系统提供实时数据 控制风门电机的启停 ．并与 风机电机实现逻辑闭锁． 防止误操作 为了对风机 电机工况进行实时监测 ． 在风机前 后轴的垂直、 水平 2个方向上对风机 电机的振动进 行监测． 振动信号的变化包含着反映电机运行状态 的丰富信息 ． 对于判断风机工况是否正常和对机组 进行综合保护 ． 振动信号是必不可少 的。对于判断 工况和故障， 工艺参数如温度 、 压力、 流量 、 转速 、 电 流、 电压 、 功率等也是很重要的监测内容。系统中设 置 了 2 0路温度监测信号和 1 6路振动监测信号 。 实 时监测 电机运行 中的振动信号和温度信号 ． 另外考 虑压力 、 流量等环节对电机性能的影响， 还安装了 2 台高精度的差压变送器 ． 实时监测系统和差压及负 压 ． 不仅用来判 断系统 电机的运行工况 。 还用来计 算风机的实时流量 3系统 节能分 析 利用变频器实现调速节能运行 ． 是变频器运用 的一个最典型的例子。其中以风机和泵类机械的节 能效果最为显著 根据空气动力学原理可知． 当风 机转速发生变化时． 其运行效率变化不大 ． 其流量 与转速 的一次方成正 比．压力与转速的平方成正 比． 轴功率 与转速的三次方成正比． 当风机转速降 低后 ， 其轴功率随转速 的三次方降低 ． 驱动风机的 电机所需的电功率亦可相应降低 ． 所以调速是风机 节能的重要途径 采用变频调速后可以实现对风机 电机转速的线性调节 ．通过改变电动机转速使负 压 、 风量等指标符合生产的需要。 因为风机属于恒功率负载 ．其理想的能耗 曲线 如 图 2所示 ． 其中 ． 曲线 l为调节风门时的能耗 曲 线 ， 曲线 2为调节转速时的能耗曲线。由图2知。 当 q o ． 7 p 时。 通过调速的方法来调节风量 ， 消耗的电 功率 P 2 0 ． 3 4 P． 而直接用风门调节风量所耗功率则 为 P I 0 ． 9 4 可见 。 本系统的节能效果十分明显。以 宁夏天安矿业集团二矿东风井运行数据为例 风机 最大扇风量为 1 2 9 6 0 m 3 ／ m． 改造前后矿井所需风量 都为 9 0 0 0 m3 ／ m． 约为 7 0 ％的额定负载 ． 可近似认为 改造前后风量不变； 其各项参数如表 l 所示 。 表 1改造前后参数表 图 2能耗 It tt 线 由表 l 可以看 出． 在相同的负载风量下 改造前系统消耗功率 P l 、 ／ 3 U l r l 4 6 7 k W 改造后系统消耗功率 P 2 X ／ 3 U I r I 2 2 9 k W 系统节电率 r ／ 学 5 1 ％ 一 1 8 2 第 3 1 卷第 0 3期 2 0 1 0年 0 3月 煤 矿 机械 C o a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 l _ 3 1 No ． O 3 Ma r ． 2 0 1 0 基于P L C 控制的锅炉房自动输煤系统的改进与实现 任建华 。 。 王伟 。 。古超 1 ． 河北工程大学， 河北 邯郸 0 5 6 0 3 8 ； 2 ． 新兴铸管股份有 限公司 ， 河北 邯郸 0 5 6 0 1 7 摘要通过对原有锅炉房输煤 系统控制方面存在的问题进行分析 ，采用 P L C控制系统， 选 用 日本三菱 F 1 3 0 MR型 P L C ， 通过硬件选取 ， 软件调试 ， 实现整体控制 系统结构合理 ， 运转 良好的 目的 。 关键词 P L C 输 煤 系统 自动控 制 中图分类号 T D 5 2 8 ； T P 3 9 1 文献标志码A文章编号1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 30 1 8 30 2 I mp r o v e me n t o f Co a l Bo i l e r S y s t e m Ba s e d o n P L C Au t o ma t i c Co n t r o l l i n g REN J i a n - h u a ’ ，W ANG W e i 。GU Ch a o 1 ． H e b e i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g ， H a n d a n 0 5 6 0 3 8 ， C h i n a ； 2 ． X i n x i n g P i p e s L t d ． ， H a n d a n 0 5 6 0 1 7 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e o r i g i n a l c o a l b o i l e r c o n t r o l s y s t e m a n d t h e a n a l y s i s o f e x i s t i n g p r o b l e ms ，t h e P L C c o n t r o l s y s t e m i s p r e s e n t e d ． F1 - 3 0 MR J a p a n P L C i s s e l e c t e d i n t h i s s y s t e m． At t h e s a me t i me ， h a r d w a r e a n d s o ft wa r e are d e b u g g e d ．I n t h e e n d ， t h e wh o l e c o n t r o l s y s t e m i s r e a l i z e d w i t h r e a s o n a b l e s t r u c t u r e ， a n d g o o d p u r p o s e ． Ke y wo r d s P L C；c o al b o i l e r s y s t e m；a u t o ma t i c c o n t r o l O 序 言 1 控 制任务 和要 求 可编程控制器 P r o g r a mm a b l e C o n t r o l l e r 和可 1 ． 1 控制 目标 编程序逻辑控制器 P r o g r a m m a b l e L o g i c C o n t r o l l e r 简 锅炉 自动输煤系统 自动控制系统包括以下环 称 P C或 P L C 一种数字运算操作的电子系统 ． 专为 节 ， 实现对其 自动控制 在工业环境下应用而设计。并逐渐发展成为以微处 格筛一 往复式给煤机一 破碎机一 斗式提升机一 刮 理器为核心 ， 将 自动化技术 、 计算机技术、 通讯技术 板输送机一 3台锅炉煤仓 融为一体 的新型工业控制装置 并通过数字和模拟 1 ． 2 控制任务 式的输入和输出 ，控制各种类型 的机械或生产过 1 顺序开启。正常情况下 ， 系统连锁启动。当 程。目前 。 P L C被广泛应用于各种生产机械和生产 煤仓里 的传感器给出缺料信号后 ， 按下对应 的电动 过程的自动控制中。 闸门启动按钮 ， 传感器检测无故障后 ， 刮板输送机 锅炉房输煤系统 由多个环节组成 ， 由于工作环 启动； 延时 1 0 s ， 且斗式提升机的传感器检测机器正 境恶劣 ， 因此要求尽可能实现远程控制。改造前锅 常无故障 ， 斗式提升机正常启动； 延时 1 0 s ， 经破碎 炉房输煤系统采用继电器控制 ． 继 电器控制虽然在 机传感器检测机器正常无故障，破碎机正常启动 。 室内生产中应用广泛 但是电器控制系统有以下缺 然后延时 1 0 s ，经传感器检测无故障后往复式给煤 点 体积大 、 可靠性低 、 查找和排除故障困难等 ． 特 机启动。 别是其接线复杂 、 不易更改 ， 对生产工艺变化的适 2 在正常运转情况下 ， 系统要实现连锁关闭。 应性差。因此根据现场要求 ， 对输煤控制系统改进 当各煤仓进料完毕后 ， 按下关闭按钮， 所有煤仓都停 为 P L C控制。以适应 当前高效、 安全的控制要求。 止进煤， 随后往复式给煤机关闭； 延时 1 5 s 后 为保 从上面的能耗曲线图中看出． 变频调速时风机 的节电率还要高一些 ． 可达 6 0 ％左右 ， 而实际值只 有 5 1 ％， 这是因为改造后系统中存在高压变压器及 变频器等中间环节 4结语 本文设计了基于 P L C和变频器设计 了矿井主 扇风机 自动监控系统． 实现了主扇风机性能及状态 的在线实时监测、 远程控制。同时． 由于采用变频 技术 ， 使风机系统在煤矿生产的前期 ． 即风机风量 远没达到额定运行的情况下 ， 具有优 良的节能效 果 ， 提高了经济效益。 参考文献 [ 1 】 韩银 中， 韩玉林． 矿井主扇风机的改造浅析 [ J ] ． 煤矿开采， 2 0 0 2 1 6 6 6 7 ． [ 2 ] 杨俊生．P L C控制系统在风机中的应用 [ J ] ． 电工技术 ， 2 0 0 4 7 ． [ 3 ] 杨波， 王峰 ， 刘 自学．基于 P L C的矿井主扇风机无人值守系统设 计 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 9， 3 0 5 1 2 8 1 3 6 ． 作者简介 李德臣 1 9 6 8 一 ， 江苏徐州人， 工程师 ， 中国矿业 大 学信 电学院博士生 ． 研究方向电力电子与 电力传动． 已发表论文多 篇 ， 电子信箱 w a n g w f 1 2 3 1 1 6 3 ．C O I n ． ～ 1 8 3一 责任编辑 侯 淑华收稿 日期 2 0 0 9 1 1 - 0 4