通风机变频调速控制系统的设计.pdf

2 0 2 0年第0 6期 通风机变频调速控制系统的设计 许祥贇 山西潞安郭庄煤业有限责任公司, 山西 长治 0 4 6 1 0 0 摘 要 通风机是煤矿重要的安全设备, 针对目前通风机存在的一些问题, 设计了一种通风机变频调速控制系统。 该系统有着节能、 高效和集成度高的优点, 有着良好的社会和经济效益。 关键词 通风机; 变频控制;P L C; 控制系统设计 中图分类号 T D 4 2 1 D O I 1 0. 1 9 7 6 9/j . z d h y . 2 0 2 0. 0 6. 0 1 8 0 引言 在进行煤炭开采工作时, 煤层中的各种有毒气体会 随着开采作业不断积累, 包括二氧化碳、 二氧化硫和瓦斯 气体等[ 1]。此外, 在井下的空间中还飘浮着各种易燃易 爆的煤尘颗粒。这些有害物质对井下的安全生产和工作 人员造成了极大的危险。矿井通风机是井下用来进行气 体交换的主要设备, 它的工作原理是利用压力差, 将地面 的新鲜空气压入井下, 将井下的有毒气体和煤尘抽出排 放, 达到稀释井下有害气体浓度, 保证安全生产的目的。 为了确保煤炭生产作业时的安全性, 矿井通风机要求在 井下2 4 h工作, 保证矿井通风机高效平稳运行是确保煤 矿安全高效生产的基础。 矿井通风机由通风机、 控制系统和电气设备组成。 目前我国矿井通风机存在机型不合理, 功率不匹配和系 统网络不完善的问题。为了达到通风目的, 大部分煤矿 采用超高功率通风机, 造成了严重的工效浪费, 还有些煤 矿由于风阻太大而出现漏风现象。变频技术作为一种新 型的自动化系统, 可以解决矿井通风机在井下工作时效 能不匹配的问题。通过实时监测系统, 变频调速控制系 统可以根据不同的工作需求对通风机进行强度控制, 达 到高效节能的生产要求。 1 通风机变频调速控制系统硬件设计 通风机系统由通风机、 控制系统和电气系统组成, 系 统的结构图如图1所示。各个系统之间由P L C完成通 信[ 2]。总体的硬件包括 P L C系统、 辅助设备 包括操作 台、 直流屏幕和切换柜 和变频器组成。 1. 1 P L C硬件选型和设计 为了实现通风机变频调速控制系统不同组件之间的 信息交流, 提高煤炭生产安全性, 在本设计中采用高可靠 性的S 7 - 4 0 0 H系统。本设计中井下通风系统由3个通风 机组成[ 3]。在系统中设计了3个P L C柜来实现整个通风 机系统的信号收集、 通信交流和系统控制的功能, 是整个 井下通风机系统的核心组成部分。其中1号P L C柜用来 控制1号通风机, 包括通风机的启动停止和其他自动化 的命令。1号柜由2 2 0 V电源进行供电, 电气元件包括继 电器、 空气开关和控制盒。其中核心控制盒部分由冗余 接口模块、 数字输入模块、 数字输出模块组成。2号P L C 柜由1号柜的2 2 0 V电源供电, 用来控制2号通风机的 运行。3号P L C柜也由1号柜进行供电, 负责3号通风 机的运行工作。2、 3号P L C柜的组成和1号柜相同, 为 了保证通风机在不同电压下的工作状态, 在系统中还设 置有低压工作状态 2 4 V , 系统低压电源位于3号柜保 证系统的正常运行。 图1 通风机变频调速控制系统结构图 1. 2 辅助设备设计 通风机变频调速控制系统的辅助设备包括操作台、 直流屏和切换柜[ 4]。操作台负责系统的自动化控制, 包 括上位机控制和操作台控制。上位机控制是主要的操作 程序, 主要通过位于机房的触摸屏和主机里的软件程序 来控制整个系统, 主要硬件包括控制主机、 触摸屏和P L C 64 自动化应用 机电设备与仪器仪表 收稿日期 2 0 2 0 - 0 4 - 0 7 作者简介 许祥贇 1 9 8 7 , 男, 本科,2 0 1 1年毕业于太原科技大学, 助理工程师, 研究方向为煤矿机电。 2 0 2 0年第0 6期 图2 通风机变频调速控制系统变频柜控制图 协议网络。操作台是通风机系统的应急操作方式, 使用 旋点和旋钮进行操作保证在紧急状态下的启停。直流屏 由电池组和充电反应柜组成, 用于给系统和断电情况下 的系统提供电源。此外, 还为通风机变频调速控制系统 的保护电路提供电源。本系统由4个切换柜组成, 切换 柜的控制电源由蓄电池进行控电, 保证在停电状态下切 换柜状态, 防止事故的发生。 1. 3 变频器设计 变频器是通风机变频调速控制系统的核心部分, 它 的工作原理是根据监控系统得到的工作环境要求, 通过 自动调节通风机电机频率来改变风速大小。由于上位机 控制对变频器运行时需要采用R P O F I B U S - D P协议, 所 以在本系统中采用D P通信端口。D P通信端口要求有 纯净的输入特性, 高功率的因数和稳定的正弦波输出等。 所以在本系统中采用西门子的无谐波变频器系统, 在本 系统中的变频柜控制系统如图2所示。 2 通风机变频调速控制系统软件设计 通风机变频调速控制系统的软件系统由控制系统和 监控系统组成。其中控制系统是由控制电机启动部分和 辅助系统组成。使用模块化编程对控制程序和辅助程序 进行编程设计, 在本系统中采用西门子公司的S T E P 7的 编程软件。S T E P 7由梯形图、 语表句和功能块图三种语 言组成[ 5], 在编程软件中可以相互切换。在程序调试时 系统采用MP I协议, 在控制系统进行正常工作作业时, 则采用P R O F I B U S - D P相关协议。 2. 1 P L C硬件组态设计 根据通风机变频调速控制系统的项目, 在软件中搭 建通风机系统项目, 其过程如下 1 建立机架, 添加参数数据, 机架组成包括电源模 块和以太网模块。 2 在 编 程 软 件 中 搭 建I M 1 5 3 - 2模 块, 在 搭 建 的 I M 1 5 3 - 2模块中添加I/O模块。 3 在编程中搭建I M 1 5 3 O D模块, 在此模块上添加 变频器的模块, 包括相应的系统输入和输出的模块。 4 结束编写, 将编程写入C P U。 2. 2 系统程序模块化设计 系统模块化设计是为了实现通风机系统的正常工 作, 使用S T E P 7软件。控制系统和辅助系统通过变频器 来控制电机工作和启停。在正常的工作状态下 即切换 柜常用状态下 , 通风机系统正常生产, 在变频器发生问 题时, 切换柜可以及时切换到备用状态。在系统的控制 程序中, 包括功能块F B、F C, 数据块D B和组织块O B, 其 关系图如图3所示。 图3 控制程序结构图 下转第5 0页 74 机电设备与仪器仪表 自动化应用 2 0 2 0年第0 6期 3 结语 煤炭资源进行生产的过程中, 巷道掘进的效率要低 于煤层开采的效率, 造成了煤矿的生产能力不足。煤矿 掘进的过程中, 由于巷道的变形及应力的变化, 需要进行 相应的支护。支护时间占据了掘进时间的大部分。掘进 机在进行掘进的过程中, 不同的切割工艺路径对于巷道 煤层的变形及应力产生的影响不同, 为提高掘进的效率, 减少支护的工作量, 通过M i d a s G T S N X有限元模拟软 件对使用方式较广的自上而下和自下而上的两种蛇形路 径所产生的变形位移量及应力进行模拟分析。分析结果 表明, 在变形位移量上, 水平方向上的帮部位移, 两者的 变化趋势一致, 随着切割次数的增加逐渐增大, 两者的变 化数值也相差不大; 垂直方向上的顶板变形量, 自上而下 的工艺路径方式, 变形量逐渐增加, 而自下而上的工艺路 径方式, 变相量呈现先增加后减小的趋势, 在切割次数的 最后, 顶板的变形量相对于自上而下的切割方式具有明 显的减小; 在应力分布上, 自下而上的切割方式下, 巷道 顶板及帮部所产生的应力值较小。由此可以确定, 掘进 机采用蛇形路径的方式进行截割掘进时, 自下而上的切 割工艺路径相对于自上而下的切割工艺路径所产生的顶 板位移量小, 所承受的应力值小, 且应力的分布更加均 匀, 在相同的条件下, 可以采用相应的措施减少支护的工 作量, 提 高 煤 矿 掘 进 的 效 率, 满 足 日 益 增 加 的 煤 矿 需 求量。 参考文献 [ 1] 王焕文, 陶福贵, 康俊霞.基于单向示范刀的采煤机记忆 截割模型 构 建 及 模 拟 分 析 [J].煤 矿 机 械,2 0 1 4 1 0 1 0 5 - 1 0 7. [ 2] 司垒, 王忠宾, 刘新华, 等.基于煤层分布预测的采煤机截 割路径规划[ J].中国矿业大学学报,2 0 1 43 4 6 4 - 4 7 1. [ 3] 刘永刚, 彭靖宇, 秦大同, 等.基于双滚筒优化模型的采煤 机运动参数优化[ J].工程科学与技术,2 0 1 82 1 9 2 - 1 9 6. [ 4] 张丽丽, 谭超, 王忠宾, 等.基于遗传算法的采煤机记忆截 割路径优化[ J].煤炭工程,2 0 1 12 1 1 1 - 1 1 3. [ 5] 张丽丽, 谭超, 王忠宾, 等.基于微粒群算法的采煤机记忆 截割路径优化[ J].煤炭科学技术,2 0 1 0,3 84 6 9 - 7 1. 上接第4 7页 3 监测系统设计 通风机变频调速控制系统的监测系统由传感器、 控 制主机、 信息交换组织和P L C协议组成。可以实现井下 的实时监控, 为控制系统提供数据基础。监测系统采用 P L C技术, 所以有精度高, 抗干扰和稳定性高的优点。 系统的监测系统主要是对井下通风数据和通风机运 行状态的实时监测, 包括井下的压力、 有害气体浓度、 风 压和风量等。同时也对控制系统的各个硬件和软件运行 状况进行监控, 包括电机温度、 控制后的风压风量和电机 运行参数。为了实现以上这些功能, 监控系统采用触摸 屏和计算机的状态软件来实现功能。同时具有存储和数 据初步分析的功能, 其功能结构图如图4所示。 图4 监测系统结构图 4 结语 为了解决在实际开采作业中通风机存在的一些效能 低, 资源浪费严重的情况。本文设计了一种通风机变频 调速控制系统。在文中详细地介绍了该系统的硬件设计 和软件设计, 包括监控系统的设计。在实际的生产工作 中, 通过系统的监控系统, 根据井下的实际情况在操作位 面对通风机进行变频调速控制, 具有高效、 节能、 自动化 程度高的优点。提高了井下工作环境和工作人员的安全 性, 有着良好的经济效益。 参考文献 [ 1] 南卫国.煤矿通风机变频调速控制系统设计研究[J].能 源与环保, 4 10 5 1 2 5 - 1 2 7,1 3 1. [ 2] 郑孝东, 程根银, 顾涛, 等.基于模糊-神经网络的局部通风 机变频调速系统设计[ J].煤炭工程,2 0 1 0,14 1 1 0 - 1 1 2. [ 3] 王涛.矿井主通风机变频调速控制系统供电技术方案研 究[ J].中国煤炭1 1 8 1 - 8 2. [ 4] 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,4 02 1 4 - 1 6. [ 5] 姚景峰.基于P L C与变频器的矿井通风机集控系统设计 [D].太原 太原理工大学, 2 0 1 3. 05 自动化应用 机电设备与仪器仪表