矿井通风机变频控制系统设计.pdf

收稿日期2019－10－12 矿井通风机变频控制系统设计 陈晓飞 （山西古交西山义城煤业， 太原030203） 摘要针对国内煤矿风机功耗大、资源浪费严重的问题，设计了一种风机的变频控制系统。对系统的总体结构进行研究设计，阐述与证明了变频 系统的节能效果，并对PID控制原理进行分析设计。在系统硬件方面对PLC控制器与变频器进行选型，对监测风机工作参数的传感器进行选型与安 装；在软件方面对系统的主程序流程图进行设计。通风机变频控制系统将提高风机运行的可靠性，减少电能浪费，为煤矿带来良好的经济效益。 关键词通风机；PLC；变频器 中图分类号TD724文献标志码A文章编号1009－9492 2020 05－0162－03 Design of Frequency Conversion Control System for Mine Ventilator CHEN Xiaofei （Shanxi Gujiao Xishan Yicheng Coal Industry, Taiyuan 030203, China） AbstractIn view of the problem of large power consumption and serious waste of resources of domestic coal mine fans, a frequency conversion control system of fans was designed. The overall structure of the system was studied and designed, the energy-saving effect of the frequency conversion system was expounded and proved, and the PID control principle was analyzed and designed. In the aspect of system hardware, the PLC controller and frequency converter were selected, the sensors monitoring the working parameters of the fan were selected and installed; in the aspect of software, the main program flow chart of the system was designed. The fan frequency conversion control system will improve the reliability of fan operation, reduce the waste of electric energy, and bring good economic benefits to the coal mine. Key wordsventilator; PLC; frequency converter DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 05. 057 第49卷第05期Vol.49No.05 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 陈晓飞. 矿井通风机变频控制系统设计［J］. 机电工程技术，2020，49（05） 162-164. 0 引言 在煤矿生产过程中，矿井通风机是保障煤炭生产安全的 重要设备，主要负责向井下工作面输送新鲜空气，抑制粉尘 和排出有害气体[1-2]。在井下设备散热、工人呼吸与大地地热 作用下，矿井温度与湿度会维持在一个很高的水平，风机输 送的新鲜空气在冲淡有害气体的同时也会降低温度与湿度， 保障工作人员与设备的工作环境安全[3-4]。因此，大多数煤矿 通风机都是24 h连续运行，风机在煤矿生产过程中属于负荷 用电量很大的机电设备，随着变频器的普及以及成本的降 低，使得这一问题有了新的解决方案。研究设计一种风机变 频调速系统，对实现矿井通风机的经济运行，降低用电功耗 有着很重要的意义。 1 控制系统总体研究设计 矿井风机按照结构上的区别主要可以分为离心式通风机与 轴流式通风机两类。离心式通风机主要由机壳、机轴、叶轮与 进出气口等组成，驱动电机通过联轴器与通风机机轴相连，带 动叶轮转动，在旋转时产生的离心力将空气甩出集中在机壳 内，最终从排气口处排出，进气口由于负压影响不断吸入新 鲜空气，从而形成循环流动的气流。轴流式风机主要由工作 轮、机壳、集风器、整流器与扩散器等组成[5-6]。在实际工程 中，离心式风机的应用效果要比轴流式风机好，应用范围也 广，所以本文主要对离心式风机的变频控制系统进行设计。 1.1 系统总体结构 通风机控制系统主要由上位机、设备操作台、核心控制 器、触摸屏、变频器与传感器模块等组成。系统以PLC控制 器为核心，主要控制变频器的启动和停止，监测风机的工作 参数，其中PLC与变频器通过RS485的串口通信方式进行数 据传输。系统在正常工作时，由一台风机为井下通风，另一 台风机作为备用机，防止机器故障给井下生产带来的不便， PLC控制器负责整个风机组的切换。工作人员可以通过触摸 屏与上位机对系统进行调控，其中上位机与操作台通过工业 以太网进行指令数据的通信。 1.2系统控制方案 本文采用变频器对风机进行控制，应用变频技术与微电 子技术，通过改变电机的输入频率来控制驱动电机的输出转 速。变频调速的基本原理为 图1系统模块化结构设计 162 n 60f p 1-s 602πf 2p 1-s （1） 式中n为交流异步电机转速，f为电机定子频率，p为电机磁 极对数，s为转差率，则转差率为 s1- n ns 1- ω ω1 （2） 式中n为电机同步转速，ω为电机固有频率，ω1为角频率。 ns 60f p 602πf 2p （3） 由式（1）～（3）可知，当调整电机的输入频率f，则交 流电动机转子的转速n也会相应地发生改变。即降低电机电源 频率，电机的同步转速随之降低，最终交流电机的实际转速 也会降低；反之，升高电源频率将增大电机的实际转速。 变频器应用于风机控制系统后，可以使电机在一个合理 的平均速度下运行，减少功率损耗。由流体力学可知，风机 属于平方转矩负载，即风机转矩与风机转速成正比，风机负 载的功率与转速的立方成正比，因此在满足井下通风要求的 前提下，只需要对平均转速进行较小地降低，就可以大幅度 减小风机功耗。据相关资料统计，采用变频技术对风机进行 控制，可以节约2060的能耗。 煤矿通风机的控制数学模型参数具有时变性与滞后性， 本文采用PID控制器的方式对其进行调节。PID控制即比例、 积分和微分调节，在工程控制领域应用广泛，可根据误差进 行调节控制，是一种经典的线性控制器。本系统的PID控制 原理图如图2所示。 图中r t 为给定值，y t 为输出值，e t 为控制偏差， 则控制规律为 u t Kp e t 1 Kt∫0 te t dtK d de t dt （4） 式中Kp、Kt、Kd分别为比例系数、积分系数、微分系数。通 过对这3个参数的不断修订，可实现控制效果的优化。 2 控制系统硬件选型 2.1 PLC控制器与变频器选型 本文选用西门子公司生产的S7-300PLC作为系统核心控 制器。S7-300PLC由电源模块、CPU模块、接口模块、输入 输出模块与通讯模块等组成。电源模块将120240 V交流电压 转换为24 V直流电，为CPU模块等其他负载进行供电；CPU 模块用于执行用户编写的程序，为总线提高5 V电压；接口模 块用于连接多机配置的S7-300机型；通讯模块用于网络通信 和点对点之间的通信。S7-300具有强大的指令处理能力，有 在很短时间内进行告诉的信息处理能力，具有方便的人机界 面（HMI） ，方便用户进行编程和维护[7-8]。 变频器选用西门子公司专为风机控制系统设计的MM430 型变频器。MM430变频器具有4个模拟量输入接口，6个数字 量输入接口，多个模拟量输出接口；具有集成的RS485通信 接口和Profibus-DP通信模块；具有一定的过载能力，当达到 额定电流140时，系统可以承受3 s不被损坏；具有过电流 保护、过热保护和欠电压保护等功能。 2.2 传感器选型与安装 该系统的设计中，根据煤矿生产安全要求与风机运行特 性，主要通过风机输出风速、风压、风机温度、振动幅度等 信号进行监测。在温度测量方面，考虑风机温度范围比较 宽，选用Pt100型热电阻温度传感器，测量风机轴承与电机轴 承温度，可测范围为-200200℃。在风压参数测量方面， 选用Y400-402高压型压力传感器测量风机出口处的风压值， 传感器安装于风机出口处的管道上壁处。在振动信号监测方 面，直观的方式就是测量风机轴产生的位移，选用BCD-21C/ S传感器，具有隔振防爆功能，其中BCD-C采用垂直方向安 装，BCD-S 采用水平方向安装。在对风速测量时，选用 GFW15型高速风流传感器，其测量原理为通过风速流过产生 的热量来识别风速大小。 3 系统软件程序 通风机变频器的启动 与停止主要通过主程序来 控制，在执行主程序的过 程中可调用其他子程序的 功能，系统的主程序流程 图如图3所示。系统初始 化自检完成后，由PLC对 实际风量与设定值的上下 限进行比较，当风量低于 下限时，增大变频器的输 出频率；反之，当风量高 于上限时，降低变频器的 输 出 频 率 。 本 文 采 用 STEP7软件对系统程序进 行编写，具有符号编辑 器、硬件组态与硬件诊断 等 功 能 ， 可 使 用 LAD、 FBD与STL 3种编程语言进行编译，并实现三者之间的转换。 在组态软件上，采用西门子公司的WinCC对风机数据进行监 视，集成了SCADA、组态和OPC等技术，人机界面友好，减 少工作人员对软件开发的时间，方便设备的维护更新。 4 结束语 本文设计了一种基于 S7-300PLC 的通风机变频控制系 统，对系统的总体结构进行研究设计，阐述与证明了变频系 统的节能效果，并对PID控制原理进行分析设计。该系统具 有运行数据实时监测与变频控制的功能，可实现风机的节能 运行，预期较原先系统至少节能20，提高了风机运行的可 靠性，保障了井下生产工作的安全进行。 图2PID控制原理图 图3系统主程序流程图 陈晓飞矿井通风机变频控制系统设计 163 参考文献 [1] 槐利, 谭一川, 程玉龙. 基于PLC的煤矿压风机自动控制系 统[J]. 工矿自动化, 2012, 38413-16. 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