通风机远程变频控制技术应用.pdf

技 术 创 新 通风机远程变频控制技术应用 吴书东 一 1 摘要 矿 井通风 系统是矿山主要 生产 系统之 一． 是矿 山企业安全生产的保 障。本文介绍 了通风机远程 变频 改造 的方案和过 程 ， 利 用光纤通信技术 、 P L C控 制技 术和 变频调速技术， 建造 一个风机远程 变频控制 系统 ． 并对 实施 中遇到的 问题进行 了总结。 项 目的实施， 不仅减少 了人 工劳动 强度 ， 提 高 了设备安全 可靠性 ， 同时极大地降低 了能耗 。 对其他相似 工程 的建设与改造有一定 的借鉴 与指 导意义 关键词 光纤通信 ； P L C； 变频调速 ； 通风机 中图分类号 T D7 2 4 文献标识码 B 作者单位 安徽 省琅琊 山矿 业总公 司 通风机是矿 山企业 的重要设备之 一 ． 是矿井通 风系统的 重要组成部分。 矿井通风是保证井下人员安全 、 健康 。 促进地 下高效开采 的一个 重要方 面 随着浅部 矿产资源 的 日渐枯 竭 ． 矿 产资源开采 向纵深发展 是必然趋 势 ． 对通风 系统也提 出了更 高的要求 随着现代化矿 山的发 展 ． 国家对矿 山企业 设 备安全、 能耗等方面的要求越来越 高。 为提升井下机械化 、 自动化水 平 ． 提高企业 安全生产科 技保障能力 ． 改善 “ 关键环 节 、 重点部 位用人 多 ， 机械 化 、 自动化 程度 低 ” 的状况 ， 减小 “ 群死群伤” 的事故风险 ． 防范重特 大事故 的发生 ． 实现 “ 减人 提 效 、 本 质安全” 的 目的 ． 根据 国家安全 监管总局 关于“ 机械 化 换人 、 自动化减人 ” 科 技强安专 项行动 安监 总科技[ 2 m5 1 6 3号 的要求 ． 结合公司 的实 际情况 ． 对通风 机进行改造 。 以 求达到控制方便 、 安全可靠 、 高效节 能的 目的。 一 、工程 立项 原 因 由于井 下通 风环境复杂 ． 井下 的通风 机通 常为多台安装 在不 同的通风井 附近． 因而风机安装位置距离人员 提升副井 较远 ． 通 过人工到现场操作变得异常 困难。现我矿井下有东 、 北 两带共两 台风机 北带 风机 9 0 k W， 东 带风机 7 5 k w ， 分 别安装 于一 1 8 5 m水 平东 、 北两 带风井附近 ． 两 台风机安 装位 置距离调度室均达 2 k m左右 原有风机操作采用控制 柜外 接控制按钮及信号灯通过电缆引到地面调度室的方式。 风机 变频控 制开 、 停 车及调 速控制 由于未引入调 度室 ． 只能 由人 工到控制柜现场进行操作 而控制柜安 装在一 1 8 5 m水平东 、 北两带 的末 端 ． 由于路程 较长加上 上下井等罐 ． 操 作一次 时 间较长 ． 长期以来变频调速未正常投人运行 。采用此种方式 实现 了基本 的风机 的启动及停 止操 作而无法实现变频控制 ， 风机能耗较高 。同时 。 电缆线路长 、 电流感应等 ， 造成控 制回 路 电压 较低 ． 指示 信号灯 常亮 ． 导致设 备故障增加 且设备运 行状态指示不清 以上情况严重影 响了风机的安全运行 ， 也 不符合节能降耗的要求 ． 必须对风机控制系统进行改造 。 二 、 改造 方案 随着光纤通信技术 、 P L C技术和变频调 速技术 的发展成 熟 ． 为建造一 个综合 以上技 术优 势 ， 安全 可靠 、 操作控 制方 便 、 高效节能并且易于监控 的风机控制系统提供 了条件。 1 ． 系统功能及要求 风机后 台监控系统为 2台风机集中 控制工作站 ． 通过对变频器的远程控制来实现 2台风机 的远 程启停及速度的控制并在后台显示变频器 的频率 。 上位机配 置 为 l 套工控机 f 1 1 监视部分 。 2台风机的开关信号状态及故障信号状态 ， 2 台变频 器的频率 可以直观查 看到 2台风机的工作 状态及 故 障状态 ． 及 时排查到故 障风机。 f 2 1 控制部 分。 2台风机 开关 的远程控制 。 2台变频器开关 的远程控制及频率 的远程控制 可通过 变频 器开关 的远程控 制来实现对 2台风机 的启停 控制 ． 可通过变 频器频率的远程 控制来实现对 2台风机的速度控 制 2 ． 系统可靠性设计 。 为 了设备的安全可靠运行 ． 系统在设 计时主要考虑 以下措施 f 1 分 布式 设计 相对独立 设计 ， 互不 干扰 ， 便 于维护 ， 提 高通信效率 f 2 1 抗干扰设计 ①强电电缆与弱电电缆严格区分 ， 信号线、 控制线、 通信 线均须有高密度屏蔽层 ， 屏蔽层须 良好 接地f 接地电阻 R 4 a 。 ② 良好地接地， 电器接地、 模拟接地 、 屏蔽接地独立敷 设 。 ③ 通信光 缆选用钢 丝铠装光 缆 ． 增加抗拉 强度 ， 保证 光 缆在井筒 内不会 因重力 而损坏 ④ 系统 总电源及通信模块配浪涌保护 器 ， 用于 防止过 高 电压对直 流电源系统和用 电设备造成 的损 坏 ． 保护设备 和使 用者 的安全 3 ． 组态软件功能 1 实现无人值班 ． 自动化管理 ； 2 提供系统异常报警记 录 S O E ； 3 系统 自由组态 ， 编辑个性化人机界 面 ， 实现二次开发 功能 4 数据 刷新 时间 2秒 ； 5 数据可以保存 到数据库服务器 ， 以便内部查询 ； 6 提供 动态数据 跟踪 ， 监测各种运行状况 ； 7 提供 O P C接 口， 实现数据远传 ； 8 采集的各种数据可根据需要转化为 E x c e l 等数据格式 ； 9 用数 据 、 图形 、 虚拟仪 表 、 曲线表达 各种运行 数据及 状态 1 0 提供一体化报表编辑工具。 改造所选用 的设备 的主要功 能 西 门子 S 72 0 0系列 P L C对风机启动柜及变频器进行操作 控制 ． 同时对 风机运行 状 态 电机 电流 、 电机 频 率 、 电机 电压 等 进行 监 控 ； 合 康 HI D 3 0 0 A系列 P型 风机 、 水泵类负载专用型 变频器通过改 变输 出电源频率来改变 电机 的转速从 而控 制风机运行转速 ， 达到节能降耗 的目的 使用光纤及光纤收发器用于 P L C与上 位机进行通信 ．解 决了采用 电缆控制产生 电流感应 的问题 ， 增加 了控制距离 ． 保障了控 制回路 的可靠性 。 通风机远程变频控制系统的硬件结构图如图 1 所示 ①工控机 显示 2台风机 的开关 信号状态及故障信号状 隧翻囝2 0 1 7 8 1 9 5 技 术 创 新 詈 ■ 一蠢 皇 ， 东带 U P s电 源 霹 光 纤 收 发 一 一 I ◆2 匕 F 收 发 器 图 1 通风机远程变频控 制系统 的硬件结构 图 态 、 变频器 的频 率 ． 可 以在工控机 界面上控 制 2台风 机的启 停及变频器的频率 ②智能通信模块及 O P C服务软件 用于现场控制箱内 的 P L C与工控机之间进行通信连接 ③P L C 用于采集 2台风机的开关信号状态及故障信号 状态 ． 并对 2个风机的运行进行控制 。将上述相 关数 据传 输 到工控机上实时显示 通风机远程变频控制系统软件组 成 ①WI N C C软件， 该部分用于组织相关组态界面． 显示各 种运行参数 P L C及 O P C 数据采集部分， 读取 P L C内部数据． 发送 控制指令 三 、 改造 中应注 意 的 问题 1 ． 井下选用变频 器的功 率不要小于压风机电机功率 当 井下与地 面空气压力不 同 特别 是冬季井下 与地 面温 差较 大 时 ， 井下会 形成 自然风压 ． 在井下 自然风 压作用下风机会 出现 自转 现象 ．当风机 自转 与风机启动的转动方 向相反时 ． 风机启动电流较大 ． 容易引起变频器在启动 时出现过电流保 护的情 况 选用 的风机水泵专用变频器更适用于平方转矩负 载的拖 动． 具 有较好 的节 电效果 ． 但 过载能 力较通 用型变 频 器小 基于以上原因 ， 尽管风机正常运 行时负载功率较小 ． 建 议选用变频器 的功率仍不要小于压风机电机功率 ． 以免变 频 器 出现过流保护的情况 ． 2 ． 变频器不宜在较低 频率下运行 ． 特别是 电机使用普通 三相 异步电机的情 况下 变频器运 行在低频 区域 时． 在低频 启动时启动转距小 ． 造 成系统 启动困难甚至无法启动 。由于 变频器 的非线性产生的高次谐波 ． 会 引起电动机的转距脉动 及 电动机发热 ． 电动机运行噪声增大 。 同时受电网电压波动 、 系统负载的变化和变频器输出电压波形的变化 。 使电动机 出 现抖动现象 由于出现 上述 现象 。 降低了通 风机运行的可靠 性 ． 通风机 电机工作频率应设置在 2 O H z ～ 5 O H z为宜 。 3 ． 设 计的系统应具备变频和工频两 套控制 回路 ． 确保变 频 回路 出现故 障时． 工 频 回路可 正常工 作 ． 保障 正常生 产不 受 影 响 。 4 ． 使用光纤及光纤收发器用于 P L C与上位机进行通信 ． 将短距离的双绞线 电信 号和长距 离的光信号进行互换 ． 有效 地延 长了传输距离 。为保障控制 回路 的可靠性 ， 要尽可 能减 1 9 6 暖 囫2 0 1 7 a w l 少光纤 接头的数量 ． 以减 少光损耗 ． 如 光纤接头 的数量较 多 或传输 距离较远时会 导致光纤 中光信 号衰减严重 或光信 号 波形失 真 ． 将 直接影响到风 机控制 的可靠性 ． 应增 加光 中继 器解决 5 ． 为滤除变频 器输 f { { 电流 巾的高次谐波． 减少 因高次 波引起 的电机振 动及噪音， 同时提高 电网的 功率 因数 ． 建议 安装输 出用 交流电抗 器滤波 使用普通三相异 步电机 时 或 电 机选 用变 频 电机 四 、 系统 改造 后 的特点 1 ．操作简单。通风机的控制部分全部集巾于上位工控机 ． 操作人 员通过点击 鼠标完成 ， 如频率调整 、 变频正转 、 变频反 转 、 变频停 止 、 工频正转 、 工频反转 、 _丁频停止 、 急停等 。 2 ． 控制灵敏 使用光纤及光纤收发器用于 P L C与上位机 进行通 信 ． 解 决了远距离 电缆控制产 生电流感 应 ． 导致设备 误动和拒动及运行状 态指示不清的问题 ． 保障 了控制 回路 的 可靠性 3 ． 实时监控 、这套 工作站实 时显示变频器 的电压 、 电流 、 频率及变频器故障等运行状 态。 通过 工控机显示屏 可进行实 时监测 。 故障时发出报警信号报警 等 _T作 人员 根据报警信 号 可以快速地发现系统和设备 的故障 ． 便于及时维修 。 4 ． 安全可靠。改造后 系统起动 、 停止平稳 ， 实现 了无级i 『吉 I 速 ． 变频软启动的方式 消除 了电机启动时大 电流对电网的冲 击 ， 减 少了设备 的转速和机械磨损 ． 延 长了设 备的使用寿命 ． 同时保护措施更完善 5 ． 节 能效 果显 著 井下无人工作或不需 要风机全速运行 时 ， 可降低风机转速 。 节省电能 。从理论 上讲． 电机功率 与转 速的三次方成正 比．如通过调 节转 速来控制． 则所需功率 以 近似转速的 三次方大幅度下降 变频器加交流 电抗 器后 ． 功 率因数可提高到 0 ． 9 5以上 ． 从而减少 了无 功损耗 ． 增 加 了电 网的有功 功率 。改造后 ， 井下无人工作 时风机以 2 0 H z 运行 ． 无人工作需要排除炮烟 等有害气体和粉尘时风 机以 3 0 H z 运 行 ， 其余时间风机以工频运行。 经统计 ． 节 电效果 可达 4 0 ％以 上 ， 月节电约 4 ． 7 5万度 。 五 、 总结 此次通风机 的远程 变频 改造 ． 使用光纤及 光纤 收发器用 于 P L C与上位机进行通信 ． 解决 了远距离电缆控制产生电流 感应 、 导致设备误动 和拒 动及运行状 态指 示不清 的问题 ． 保 障 了控 制回路的可靠性 采用 变频器 凋速控制 流量 ． 系统运 行效 率高 ． 节电节能效果显著 同时变频器可 实现电动机 的 软启软停 ． 避免 了电机启 动对设 备及电网的冲击 。项 目的实 施 ， 不仅减少 了人工劳动强度 ， 提高 了设备安全 可靠性 ． 同时 提高 了企业经济效益 和管理水平 ． 对 企业 节能 降耗 、 安全生 产提供了有力的保 障 参考文献 『 1 1 王丛陆 ， 昊超． 矿 井通风及其 系统可靠性 f M1 ． 北京 化 学 工 业 出版社 ． 2 0 0 7 ． 『 2 1 王德 明． 矿 井通 风与安全『 M1 ． 徐 州 中 国矿业大学 出版 社 ． 2 0 1 2 ． f 3 1 彭吉虎 ， 吴伯瑜． 光纤技术 与应用f M1 ． 北京 北 京理工 大 学 出版 社 ． 1 9 9 5 ． 【 4 】 邱琪． 光纤通信技术f M】 ． 北京 科 学出版社 ， 2 0 1 1 ．