矿井主通风控制系统的配置及功能实现.pdf

总第209期 2020年第9期 机 械 管 理 开 发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT Total 209 N〇.9, 2020 自动化技术与设计 D0110.16525/l4-1134/th.2020.09.108 矿井主通风控制系统的配置及功能实现 孙卫锋 山西煤炭运销集团阳城西河煤业有限公司， 山 西 阳 城048106 摘 要 针 对当前通风控制系统自动化程度低、 耗能严重的问题， 在分析变频调速技术和PLC控制技术原理的 基 础 上 ，完 成 了 通 风 控 制 系 统 中 变 频 调 速 控 制 系 统 、PLC控 制 系 统 以 及 监 测 系 统 的 配 置 设 计 ，并基于 MODBSU通信协议和工业以太网通信方式实现上位机、PLC控制器以及变频器的通信，实现了通风系统节 能、 自动化控制。 关键词 通风 机 变 频 调 速PLC控 制M O D B U S工业以太网通信 中图分类号TD635 文献标识码A 文章编号 1003-773X 202009-0257-03 引言 矿井通风系统号称综采工作面的“ 肺” ,其主要 作用是为工作面提供新鲜空气，稀释工作面的瓦斯 浓度， 并将工作面的粉尘、 煤尘等排出。在矿井开采 末期需风量较大，为保证工作面的生产需求其通风 能力一般均大于末期的需风量。 因此， 需对工作面前 期 、 中期通风系统的通风量进行调整。 传统控制通风 系统的方式自动化程度低，不仅无法实时根据工作 面需风量对通风量进行调整，而且还造成了电能的 浪费[ 1 ] 。因此， 为提升当前煤矿通风控制系统的自动 化程度和实时响应特性， 对变频调速技术和PLC控 制技术展开分析。 1节能型通风自动化控制系统原理分析 实现工作面通风系统的节能生产，并提升通风 系统的自动化水平的根本在于控制系统能够根据工 作面的实时需风量和通风机的实时通风量对其通风 量进行及时、 精准的控制。 实现上述功能的主要技术 基础为变频调速技术和PLC控制技术。 本节对变频 调速和PLC控制的原理进行分析。 1_1变频调速原理 变频调速技术是通过对通风机供电频率进行控 制，从而达到控制电机转速进而实现对通风机通风 量的调整， 变频调速原理如式（ 1所示 n\60fjp . 1 式中n,为通风机电机的转速;/,为通风机供电频 率;为通风机电机的极对数。 目前，可应用于变频调速的方式包括有恒转矩 调速、 恒功率调速等。 通过变频调速实现对通风机电 机转速的控制， 当电机转速减少一倍时， 对应的通风 量也减少一倍，此时对应的通风机的运行功率减少 收稿日期2020_04-23 作者简介孙卫锋 1978 ， 男， 本科， 毕业于重庆大学采矿工程 专业,助理工程师。 1/4,从而达到节能的效果。 变频器为通风系统实现变频调速的核心设备， 为保证通风设备变频调速的功能需选择适用于煤矿 生产的变频器。 1.2 PLC控制原理 PLC为当前应用于工业生产中最为广泛的控制 器 ， 基于PLC控制器能够对工作面风压、 风量以及温 度传感器采集到的数据进行处理，并与将上述参数 与设定值进行对比。若两组数据存在偏差将基于相 应控制算法得出对应的控制指令，从而实现对变频 器的控制，最终实现对通风系统通风量的控制[ 2 ] 。 PLC控制原理如图1 所示。 图 1 PLC控制原理框图 PLC选型时应综合分析控制系统任务和要求， 通过对输出/输入点数的估算、 存储容量以及兼容性 等要求完成对PLC控制器及其附属元器件的选型。 当前，PLC控制器可通过其输出的开关量、 模拟 量或者RS-485通信方式实现对变频器的控制。 2通风控制系统的配置 为实现通风系统的节能、 自动化控制功能， 需在 258- 扒 械 管 理 幵 发 jxglkibjb 第3 5卷 传统通风系统的基础上为其增设变频调速系统、 PLC控制系统、 监测系统以及上位机系统等[ 3 ] 。根据 工作面的通风需求， 为其配置两套独立的通风系统， 且各个通风系统之间能够实现相互通信。工作面通 风机布置情况如图2 所示。 迪 风 P 1号风机 丨号风门 电机1-2电机1-1 主风道 表 2 SJ700-3150HFE2 关键参数 参数 额定功率 /kW 额定电压/V额定电流/A 适配电机功 率/kW 指标315 380600315 2 . 3 监测系统的配置 监测系统系统的核心为各类传感器的选型， 根据所监测参数的类别选用如表3 所示的传感器 类型。 表 3监测系统配置 监测项巨设备型号 电机轴承温度 温度采集模块EDA9018 温度传感器PT100 风量 风量采集模块EDA9017 微压差变送器LLD-EX 振动振动变送器SLM 3控制系统功能的实现 通风控制系统设计或改造的目的在于提升控制 系统自动化水平的同时达到节能减排的目的因此, 本控制系统核心功能包括有对工作面通风机参数的 监测、PLC控制系统功能的实现以及变频调速系统 功能的实现。 除此之外， 通风系统还具备人机交互功 能， 为操作人员提供简便的操作界面。 根据控制需求及任务，为通风系统控制功能的 实现设计如图3 所示的框图。 图 3通风控制系统功能实现 如 图 3 所示,PLC控制系统数字量和模拟量输 人模块采集现场通风机运行的数据信息，并将其与 设定对比分析后，通过控制算法得出对应的控制指 令并通过数字量和模拟量输出模块将指令传送至下 位机执行机构变频器。 与此同时， 通过输人模块所 得到的数据可通过以太网交换机上传至工况机上， 便于操作人员随时查阅；而且基于人机交互界面还 能够对通风机的异常运行情况进行报警。 4结论 1将变频调速控制与PLC控制技术联合应用 ------1 2 号风机 2 号风门 图 2工作面通风布置示意图 如 图 2 所示，工作面的两台通风机采用一备一 用的原则，且要求备用通风系统能够在主用通风系 统发生故障后10 min内启动。工作面采用通风机为 对旋式轴流通风机， 每台通风机配置两台电机， 电机 的额定功率为200 kW,额定电压为390 V， 额定转速 为 1 470 r/min,通风机叶轮的额定转速为740 r/min。 2.1 PLC控制系统的配置 本矿井通风系统所采用PLC控制器的型号为 S7-300。基 于PLC控制系统能够实现对通风机运行 状态、 电机轴承温度、 风门位置等参数进行控制。为 实现变频调速控制的功能，PLC控制系统与变频调 速控制系统之间基于MODBUS通信协议实现通信[ 4 ] 。 基 于PLC控制器的选型结果， 结合工作面工作环境 特征， 为其配置辅助元器件， 如 表 1 所示。 表 1 PLC控制系统元器件选型 元器件类型型号备注 电源模块PS307供直流5 V和直流24 V电压 CPU模块315-2DPRAM可扩充至64 M B 数字量输入模块SM321开关量信号 数字量输出模块SM322用于对电磁阀、 小电机、 报警等的控制 模拟量输入模块SM331用于采集温度、 压力以及风量等信号 模拟量输出模块SM332用于对执行机构的控制 通信模块CP341实现PLC控制分系统与其他系统的通信 2 . 2 变频调速控制系统的配置 变频调速控制系统配置的主要任务是完成变频 器的选型。变频器选型时需综合考虑通风机的额定 电流、通风机电机的额定电压与变频器的电压等级 相符以及通风机的额定电流等[ 5 ] 。综合分析,最终选 择SJ7 0 0 系 列 的 变 频 器 ， 且 具 体 型 号 为 SJ700-3150HFE2 , 该型号变频器的关键参数如表2 所示。 由于本通风系统含有两个通风机，每台通风机 设有两台电机，故为通风系统配置四台可独立运行 的变频器。 2-2- 机机 - 2 H 2 机机 te. 通风口通风口 2020年 第 9 期孙卫锋矿 井 主 通 风 控 制 系 统 的 配 置 及 功 能 实 现259- 于通风系统的控制中， 使 得PLC控制器能够实时根 据通风机的实时运行参数及工作面的需风量对变频 器进行控制， 在提升通风系统自动化水平的同时， 达 到节能的目的。 2将PLC控制器通过MODBSU通信协议与变 频器、 传感器等器件进行通信， 将PLC控制器通过 工业以太网与上位机进行通信， 实现人机交互功能。 参考文献 [ 1 ]幸大学.动化控制技术在煤矿通风系统中的应用[J].煤炭技术， 2013,3210522. [ 2 ] 高俊祥， 高孝亮.自动化控制技术在煤矿通风系统中的应用[J]. 煤矿安全,421181-84. [ 3 ] 洪涛， 韩建国， 张庆民.晶闸管串级调速技术在矿井通风机节能 改造上的应用[J].工矿自动化,20001 35. [ 4 ] 成董浩， 浑宝炬， 靳凯.增强现实技术在矿井通风系统中的应用 前景分析[J].工矿自动化,20188 10-14. [ 5 ] 郭家虎， 王静.通风局扇变频控制系统[J].工矿自动化.2003 312. 编 辑 王 慧 芳 ） Configuration and Function Realization of Mine Main Ventilation Control System Sun Weifeng Yangcheng Xihe Coal Industry Co., Ltd. of Shanxi Coal Transportation and Marketing Group, Yangcheng Shanxi 048106 Abstract In view of the low degree of automation and serious energy consumption of the current ventilation control system, on the basis of analyzing the principle of frequency conversion speed regulation technology and PLC control technology, the configuration design of frequency conversion speed regulation control system, PLC control system and monitoring system in the ventilation control system is completed. The communication of upper computer, PLC controller and frequency converter is realized based on the MODBSU communication protocol and industrial Ethernet communication mode, and the energy saving and automatic control of ventilation system is realized. Key words ventilator; variable frequency speed regulation; PLC control; MODBUS; industrial Ethernet communication 上 接 第242页 ） Study and Design of Underground Drainage System in Coal Mine San Lipeng Sanyuan Nanyao Ji“an Coal Industry Co., Ltd., Changzhi Shanxi 046000 Abstract Aiming at the problems of low operation efficiency and single control strategy of underground drainage system in coal mine, taking the drainage system of Jian mine as the research object, this paper puts forward the drainage scheme based on the drainage system model, gives the detailed hardware design and software design, and analyzes the faults and protection in this scheme. Considering the drainage scheme of “high and low water level“ and “avoiding peak and valley “, the design reduces the labor intensity, improves the working environment and achieves the purpose of saving energy and reducing consumption. Key words mathematical model; control strategy; PLC; peak-shaving valley； irai 上 接 第247页 ） A Study and Design of Coal Mine Side Wind Door Based on PLC Control Chen Chun Shanxi Sanyuan Fuda Coal Industry Co., Ltd., Changzhi Shanxi 046000 Abstract Aiming at the problem that the function of the wind door is single and the wind door needs to be combined with the top wind window to adjust the air volume and wind speed, this paper puts forward a kind of side-roll wind door which can combine the function of the wind window with the function of the wind door, and studies and designs the mechanical structure and electrical control part of the side-roll wind door based on and designed. Key words coal mine ventilation system; PLC; side wind door, air volume regulation