矿井主通风机变频调速系统的设计应用.pdf

文章编号 １００６ －０８９８ ２０１９ ０２ －００３２ －０４ 矿井主通风机变频调速系统的设计应用 张燕青 山西焦煤集团有限责任公司ꎬ 山西 太原 ０３００００ 摘要 结合屯兰矿井生产地质条件ꎬ 提出了矿井主通风机变频调速系统的总体设计方案ꎬ 并给结 合主要设备选型原则及选型结果ꎬ 对变频调速系统的三大主要控制程序进行流程设计ꎮ 应用实践 表明ꎬ 该系统能够有效实现对风机转速调节和风量控制ꎬ 且具备矿井瓦斯浓度检测、 计算、 报警 及控制功能ꎮ 此系统不仅大大提高了矿井主通风机输送风量的智能化、 自动化水平和瓦斯监测精 度ꎬ 而且为企业节省大量电费支出ꎮ 关键词 煤矿ꎻ 通风机ꎻ 变频调速技术ꎻ ＰＬＣ 控制技术 中图分类号 ＴＰ２７７文献标志码 Ｂ 收稿日期 ２０１９ －０３ －１５ ＤＯＩ １０􀆱 １４１８７/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｐ１３ －１１８５/ ｔｎ􀆱 ２０１９􀆱 ０２􀆱 ０１２ 作者简介 张燕青 １９８０ꎬ 男ꎬ 山西太原人ꎬ 工程师 ꎬ 从事电气工程及其自动化方面的工作ꎮ Ｅ － ｍａｉｌ １３９９４２８２０１５＠ １６３􀆱 ｃｏｍꎬ Ｔｅｌ １３９９４２８２０１５ꎮ 引用格式 张燕青 􀆱 矿井主通风机变频调速系统的设计应用 [Ｊ] 􀆱 水力采煤与管道运输ꎬ ２０１９ ２ ３２ －３５􀆱 矿井主通风机是煤矿安全生产的四大重要设备 之一ꎬ 素有 “矿井肺腑” 之称ꎬ 在煤炭生产过程 中ꎬ 其主要作用是向井下输送新鲜风流、 排出粉 尘、 污浊气流[１ －２]ꎮ 因此ꎬ 通风机的安全性和可靠 性是矿井安全、 高效进行煤炭生产的前提和保障ꎬ 必须给予足够的重视ꎮ 目前ꎬ 变频调速技术越来越广泛的应用于矿井 通风机ꎬ 根据已有数据表明ꎬ 采用传统控制技术的 通风机ꎬ 其通风效率仅在 ４０％ ６０％ 之间ꎬ 应用 效果较差[３]ꎮ 采用变频调速技术后ꎬ 通风效果则 提升显著ꎮ 变频调速技术成为一些中大型煤矿矿井 主通风机系统的首选技术ꎬ 如我国中部矿区神火煤 矿主通风运用变频调速技术后ꎬ 每年大约可以节省 ５０ 万元的电费支出[４]ꎬ 变频调速技术的应用不仅 大大提高了矿井生产的自动化和机械化水平ꎬ 还能 节省大量电能ꎬ 因此该技术具有较高的经济效益ꎮ １ 通风机变频调速系统总体方案设计 １􀆱 １ 变频调速技术特点 依据交流电源频率与转速的对应关系ꎬ 通过改 变电源频率的方式ꎬ 来实现改变电机转速ꎬ 进而到 达变频调速目的ꎮ 变频调速技术是一种具有良好节 能的控制技术ꎬ 该技术主要依托三大技术进行科技 创新ꎬ 包括计算机技术、 电子技术和现代化控制技 术ꎮ 目前变频调速技术逐渐成熟ꎬ 广泛应用于煤 矿、 冶金、 石油和化工等领域ꎬ 具有很大的发展空 间ꎮ 在煤矿生产过程中最大的耗电设备是矿井通风 机ꎬ 并且该设备在矿井生产中有很大的比重ꎮ 变频 调速技术不仅有效提高通风机的效率ꎬ 同时可节约 大量的电能ꎬ 因此ꎬ 采用变频调速技术控制矿井通 风机的风量ꎬ 具有如下的优势 １ 系统调节速度范围大ꎬ 转速控制精度高ꎮ ２ 启动电流低ꎬ 对整个系统及电网冲击小ꎬ 节点效果明显ꎮ ３ 调节速度时系统平滑性好ꎬ 效率高ꎻ 低 速时ꎬ 静关率较高ꎬ 相抵稳定性好ꎮ ４ 变频器体积较小ꎬ 便于安装、 调试及维 修ꎮ １􀆱 ２ 方案设计 结合屯兰矿井生产地质条件ꎬ 对矿井主通风机 变频调速系统进行总体方案设计ꎬ 系统设计结构如 图 １ 所示ꎮ 该系统主要包括硬件和软件两大部分ꎬ 设计了两台 ＰＬＣ 变频器ꎬ 通过瓦斯传感器对监测 区域瓦斯浓度数值的采集ꎬ 完成模拟量的信号传递 目的ꎬ 实现通风机变频调速控制、 手动一体化控制 切换和故障报警的功能ꎮ 由图 １ 可知ꎬ 系统中的瓦斯传感器 Ｒ０、 Ｒ１ 和 压力传感器 Ｒ２ 分别对井下掘进工作面、 回风巷及 局部通风机处的瓦斯浓度进行采集ꎬ 并将采集的数 据传输至 Ａ/ Ｄ 转化器进行信号转换ꎬ 之后传输至 ＰＬＣ 变频器ꎬ 转换为可进行处理的数字信号ꎬ 与系 统内部设置的断电瓦斯浓度值进行比较和分析ꎬ 最 终确定通风机系统是否进行断电ꎮ 其中ꎬ 从井下掘 ２３ 第 ２ 期 ２０１９ 年 ５ 月 水力采煤与管道运输 ＨＹＤＲＡＵＬＩＣ ＣＯＡＬ ＭＩＮＩＮＧ ＆ ＰＩＰＥＬＩＮＥ ＴＲＡＮＳＰＯＲＴＡＴＩＯＮ Ｎｏ􀆱 ２ Ｍａｙ􀆱 ２０１９ 进工作面采集的信号经过 Ａ/ Ｄ 转化、 ＰＬＣ 处理与 其内部设置的临界瓦斯浓度值相比较ꎬ 通过对比分 析后ꎬ ＰＬＣ 变频器发出信号驱动通风机运转ꎬ 实现 对通风机风量的变频调速ꎮ 在上述过程中ꎬ 可以通 过手动操作和自动方式两种方式来调节通风机频 率ꎬ 而系统内部针对不同监测点设置的瓦斯浓度极 限ꎬ 可有效实现瓦斯浓度超限报警、 变频器故障报 警和通风机系统故障报警等预警提示ꎬ 因此ꎬ 通风 系统的稳定和安全得到了系统性的提高ꎮ 图 １ 矿井主通风机变频调速系统结构图 ２ 主要设备选型及设计 ２􀆱 １ 变频器选型 变频器的主要功能是将 ５０ Ｈｚ 或 ６０ Ｈｚ 的工频 电源转换成各种频率的交流电ꎬ 以满足电机变速运 行的要求ꎮ 因此变频器选型关系到控制系统的正常 运行ꎮ 变频器选型时ꎬ 一般有以下注意事项 １ 根据具体工程需要ꎬ 确定变频器的控制 方式是恒压控制还是恒流控制ꎮ ２ 确定变频器的负载类型ꎬ 注意负载特性 曲线ꎮ ３ 控制高速电机ꎬ 选择容量稍大的变频器ꎮ ４ 控制长期低速运转的电机ꎬ 变频器选择 加大变速比方式ꎬ 使电机在较高频率下工作ꎮ 因此ꎬ 根据市场调研结果ꎬ 选择型号为 Ｓｉｅ￣ ｍｅｎｓ Ｇｌ２０ 西门子变频器ꎬ 该变频器具有很强的控 制能力、 信息交流能力和安全保护能力ꎬ 在使用过 程中更加灵活、 可靠、 节能ꎬ 其具体功能及参数如 下 型号Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｇｌ２０ 西门子变频器 模块化结构有控制单元和功率组成 功率/ ｋＷ１１ ５５ 电压/ Ｖ６６０ ６９０ 输出频率/ Ｈｚ０ ２００ 过载能力５７ ｓ 过载 １５０％ꎬ 工作周期 ３００ ｓ 防护等级ＩＰ２０ ２􀆱 ２ 控制器选型 ＰＬＣ 控制技术是以继电器接触控制技术为基础ꎬ 以微处理器为核心发展起来的工业控制装置ꎬ ＰＬＣ 结构主要由存储器、 微处理器和电源等组成ꎬ 结构 如图２ 所示ꎬ 其按照控制规律可分为小型、 中型和 大型机器ꎬ 其中输入/ 输出总点数在 ２５６ 点以下为小 型机ꎬ 总点数在２５６ １ ０２４ 之间为中型机ꎬ 总点数 大于１ ０２４ 为大型机[５]ꎬ ＰＬＣ 具有如下特征 １ ＰＬＣ 技术可靠性高ꎬ 具有较强的抗干扰 能力ꎮ ２ 采用梯形图进行编程ꎬ 编程简单易学ꎮ ３ ＰＬＣ 控制技术功能繁多ꎬ 配套使用模板 齐全ꎬ 使用方便ꎮ ４ 接线简单ꎬ 维护方便ꎬ 一般设计周期较 短ꎮ ５ ＰＬＣ 体积小ꎬ 结构紧凑ꎬ 重量轻ꎬ 耗能 低ꎮ 图 ２ ＰＬＣ 基本机构组成示意图 根据 ＰＬＣ 控制器具有的特征ꎬ 结合屯兰矿井 生产地质条件ꎬ 矿井主通风机控制器选型原则有 ①选用功能齐全ꎬ 性能稳定的ꎻ ②根据主通风机使 用环境、 维修率选择 ＰＬＣ 的结构形式ꎻ ③根据矿 井通风机通风网络系统选择高、 低档位机器ꎮ 综上所述ꎬ 在市场调研的基础上ꎬ 结合工程实 际ꎬ 选用西门子 Ｓ７ －２００ 系列的 ＰＬＣ 类型ꎮ ２􀆱 ３ 瓦斯浓度传感器选型 针对矿井瓦斯来源广、 持续涌出的特性ꎬ 选择 瓦斯浓度传感器时ꎬ 应选用主动连续进行瓦斯监测 的敏感型传感器ꎮ 根据现场调研发现ꎬ ＫＧ９７０１ 型 低浓度沼气传感器具有瓦斯主动连续检测特性ꎬ 其 性能可靠、 具有较强的抗干扰能力ꎮ 此外该型传感 器自带电子显示屏ꎬ 可时显示监测处瓦斯浓度值ꎬ 并与传感器系统内部设置的瓦斯浓度临界值相比较 ３３ 第 ２ 期 张燕青 矿井主通风机变频调速系统的设计应用 ２０１９ 年 ５ 月 分析ꎬ 进而准确及时地发出报警提示ꎮ 其主要性能 参数如下 传感器型号ＫＧ９７０１ 型 监测范围０ １０％瓦斯 反应时间/ ｓ≤２０ 传送距离/ ｋｍ２ ３ 工作电压/ Ｖ１０ ２５ 报警方式声光报警 使用寿命/ ａ≥２ ２􀆱 ４ 传感器安装位置设计 根据矿井主通风机变频调速系统结构图可知ꎬ 传感器主要监测回风巷、 掘进工作面以及局部通风 机附近的瓦斯浓度ꎬ 其安装位置对于根据矿井通风 系统监测精度有重要影响ꎮ 结合兰屯矿井实际工程 条件ꎬ 瓦斯传感器 Ｒ０ 安装在掘巷工作面附近 ５ ｍ 处ꎬ 在回风巷安装瓦斯传感器 Ｒ１ꎬ 在进风巷局部 通风机出口末端安装压力传感器 Ｒ２ꎬ 安装示意结 构如图 ３ 所示ꎮ ３ 变频调速系统主要控制程序设计 根据矿井主通风机变频调速系统结构图可知ꎬ 变频调速系统主要包括三大控制程序 主控程序 控制程序 １、 Ａ/ Ｄ 转化程序 控制程序 ２、 瓦 斯浓度采集程序 控制程序 ３ꎬ 三大程序相互配 合使用ꎬ 实现矿井通风系统的自动化、 智能化控 制ꎮ 图 ３ 传感器安装示意图 ３􀆱 １ 控制程序 １ 设计 控制程序１ 作为矿井通风机变频调速系统的核 心程序ꎬ 对于控制程序２、 ３ 的调用及相应功能的运 行起着重要作用ꎮ 通过控制程序 １ 的指令传输ꎬ 可 实现对传感器监测点处瓦斯浓度检测、 超限报警及 风机转速的调节ꎬ 控制程序１ 具体流程如图４ 所示ꎮ 图 ４ 控制程序 １ 流程图 ３􀆱 ２ 控制程序 ２ 设计 控制程序２ 主要是将传感器采集的信息进行信 号转化ꎬ 并与程序内部设置的断电瓦斯浓度值进行 比较分析ꎬ 实现对 ＥＭ２５５ 元件连接情况及是否进行 断电控制进行判断ꎬ 其程序具体流程如图５ 所示ꎮ ３􀆱 ３ 控制程序 ３ 设计 控制程序 ３ 主要是采集矿井瓦斯主要来源处及 瓦斯浓度重点监测点瓦斯浓度的精准性程序ꎬ 通过 该程序的使用ꎬ 不仅使变频调速系统可及时对通风 机进行调速控制ꎬ 而且还可做到对掘进工作面瓦斯 浓度的时时监测与采集ꎬ 同时对瓦斯浓度平均值的 计算使煤矿企业及时、 准确的掌握井下浓度变化 值ꎮ 其程序具体流程如图 ６ 所示ꎮ 图 ５ 控制程序 ２ 流程图 ４３ 第 ２ 期 水力采煤与管道运输 ２０１９ 年 ５ 月 图 ６ 控制程序 ３ 流程图 ４ 结语 矿井主通风机变频调速系统通过三大控制程序 配合运行ꎬ 不仅能够有效实现对风机转速调节和风 量控制ꎬ 同时还具备矿井瓦斯浓度检测、 计算、 报 警及控制功能ꎮ 该系统在矿井主通风机上的应用ꎬ 不仅大大提高了矿井主通风机输送风量的智能化、 自动化水平和系统对瓦斯监测精度ꎬ 而且为企业节 省大量电费支出ꎮ 参考文献 [１] 尤向阳 􀆱 矿井通风机全集成变频调速控制系统设计 [Ｊ] 􀆱 煤矿机械ꎬ ２０１９ꎬ ４０ ２ ８ －１０􀆱 [２] 付海鹏􀆱 矿井主通风机节能研究的现状与展望 [Ｊ] 􀆱 世界有色金属ꎬ ２０１７ ２２ ２７９ꎬ ２８２􀆱 [３] 李 婧 􀆱 局部通风机变频调速模糊控制器的开发 [Ｄ] 􀆱 太原 太原理工大学ꎬ ２０１５􀆱 [４] 李文涛 􀆱 矿井主通风机变频调速监控系统研究与开 发 [Ｄ] 􀆱 青岛 青岛科技大学ꎬ ２０１３􀆱 [５] 张 帅ꎬ 夏承莉ꎬ 张宽琦ꎬ 等 􀆱 基于 ＰＬＣ 控制的矿 用通风机监控系统的研究 [Ｊ] 􀆱 煤矿机械ꎬ ２０１２ꎬ ３３ ７ ２１０ －２１１􀆱 􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃 上接第 ３１ 页 度的提高ꎬ 对煤矿通风设施的故障预警与故障消除 技术的技术要求也越来越高ꎬ 对煤矿通风系统轴流 式通风机的喘振故障的研究一直是重点ꎮ 因此ꎬ 从 轴流式风机运行特性曲线出发研究喘振机理ꎬ 确立 了轴流式通风机喘振故障的预警与故障消除方法ꎬ 可保证矿井通风系统安全稳定运行ꎮ 参考文献 [１] 代克杰ꎬ 张红梅ꎬ 盛赛斌 􀆱 基于神经网络的风机喘 振故障诊断方法研究 [Ｊ] 􀆱 测控技术ꎬ ２００４ꎬ ２３ １１ ５８ －６０􀆱 [２] 冯华光 􀆱 基于小波神经网络的矿井局部通风机故障 检测与诊断研究 [Ｄ] 􀆱 西安 西安科技大学ꎬ ２００８􀆱 [３] 卫 星 􀆱 针对矿井主通风机喘振的预警策略研究 [Ｊ] 􀆱 煤炭与化工ꎬ ２０１６ꎬ ３９ １２ １３８ －１４０􀆱 [４] 李洛虎 􀆱 煤矿轴流风机喘振监测方法的研究 [Ｊ] 􀆱 煤矿安全ꎬ ２００５ꎬ ３６ ６ １ －３􀆱 [５] 张 亚ꎬ 张广明ꎬ 刘长春ꎬ 等 􀆱 煤矿轴流风机喘振 预警与消除的研究 [Ｊ] 􀆱 煤矿机械ꎬ ２０１５ꎬ ３６ １０ ３２０ －３２２􀆱 ５３ 第 ２ 期 张燕青 矿井主通风机变频调速系统的设计应用 ２０１９ 年 ５ 月