煤矿通风机变频调速监控系统的研制与应用.pdf

电气技术与 自动化 林 蒙丹 ， 等 煤矿通风机 变频调速监控 系统的研 制与应用 煤矿通风机变频调速监控系统的研制与应用 林蒙丹 。 赵雪林 1 ．徐州工业职业技术学院 电气工程系， 江苏 徐州 2 2 1 1 4 0 ； 2 ．徐州矿务集团有限公司 供电处， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 6 摘要 应用 F X 2 M P L C和 F R E N I C 5 0 0 0变频 器 ， 以风量为 主要测量参 数 ， 通过调 节 P I D 参数控制变频器频率， 来改变风机电动机转速， 实现最优控制。通过监测风机运行过程中的各 种参数保证风机安全运行 。应用表明 ， 通 过变频器 调节风机 转速 ， 能有效地 节约 电能 ， 是 矿井 通风机 的一种理想控制方式。 关键词 煤 矿电网； F X 2 _3 2 M P L C ； F R E N I C 5 0 0 0变频器 ； 风量 中图分类号 T M9 2 1 ． 5 1 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 0 0 6 - 0 1 6 2 - 0 2 St ud y a nd Ap p l i c a t i o n o f Fr e q u e nc y Co n v e r s i o n S pe e d- c o nt r o l M o n i t or i n g Sy s t e m f o r Co a l mi ne Fa nn e r LI N Me ng 。 d a n ． ZHAO Xu e ． 1 i n 1 ．X u z h o u C o l l e g e o f I n d u s t r ia l a n d T e c h n o lo g y E l e t r i c a l E n g i n e e r i n g D e p a r t me n t ， X u z h o u 2 2 1 1 4 0 ，C h i n a ； 2 ．X u z h o u Mi n i n g Gr o u p L t d ．P o we r S u p p ly D e p a r t me n t ， X u z h o u 2 2 1 0 0 6 ， Ch i n a Abs t r a c t I n t h e u s e o f FX2 N 3 2 M PL C a n d F RENI C5 0 0 0 c on v er t er air q u a nt it y is a me a s ur i n g p ar ame t er ．PI D p a r a me t e r c an b e a d j u s t e d t o c o n t r o l c o n v e rt e r s f r e q u e n c y ， a n d c h a n g e f a n n e r s mo t o r s p e e d t o a c h ie v e o p t i mu m c o n t r o 1 ．T h e v a r io u s p a r a me t e r s i n f a n n er ’ s r u n nin g p r o c e s s a r e mo nit or e d t o gu a r an t e e s a f e t y i n o p er a t ion ．Th e ap p l ic a t io n i n dic a t es t h at c on t r o l li n g f a rm e r s s p e e d b y t h e co n v e rte r c a n s a v e ele c t r ic al e n er g y e ffe c t iv ely a n d i s a p e r f e c t co n t r o l li n g mod e o f min e f a n n er ． Ke y wor ds c oa l mi n e p o we r gr i d； F X2 N _ 3 2M PL C； FRENI C5 0 0 0 c on v e rte r ； a i r q u an t it y 0 引言 煤矿通风机俗称 “ 电老 虎” ， 其 耗 电量较 大。该设 备 全年不停地运行， 而且不同时期对风量的要求又不相同， 如节假 E l 用风量较小， 矿井建设初期用风量也较少等。因 此 ， 选择一种好的调节风量的方法， 完全可以降低吨煤电 耗， 而且可以提高风机的使用寿命 ， 给企业带来可观的经 济效益。 中华人民共和国节约能源法 已将变频调速技 术列为通用节能技术加以推广。所以， 通风机的节能运行 在矿井生产 占有重 要的地位 。 1 系统概述 本系统主要 由集控部分、 P L C控制部分构成。集控部分 主要完成人机界面操作 、 数据显示、 历史数据保存 、 报表打印 等功能。P L C控制部分 有安装在现场控制柜 的 P L C可编程 控制器和变频器组成， 主要完 成风机 电动机 的变频调速 、 风 机重要参数的实时采集， 实现风机安全、 可靠、 节能运行， 达到 对风量进行优化控制的目的。系统结构如图 1 所示 。 2 系统软硬件选型 上位机监 控组 态软 件采 用 Wi n C C V 6 ． 0 。作 为三 菱 F X ～3 2 M P L C进行系统的诊断选项 ， 给硬件维护提供 了 图 1 控制结构框图 方便。它采用了 Mi c r o s o f t S Q L S e r v e r 2 0 0 0作为其组态数 据和归档数据的存储数据库 ， 可 以方便地访 问归档数据。 根据负 载 的特 性 ， 选 用 富 士 F R E N I C 5 0 0 0系列 变 频 器， 变频器不仅具有各种保护功能， 而且控制方式为正弦 波 P WM控制， 适合于风机、 泵类等负载转矩为平方特性 的负载。 风量测量采用常州三横自动化有限公司生产的K G F 2型 矿用风量传感器， 该传感器可测量风量、 风速信号。 3 系统结构与配置 3 ． 1 集控 系统 集控系统以安装有 Wi n d o w s 2 O O 0的工控机为人机操作 界面， 配有操作台、 打印机、 U P S电源、 大屏幕监视系统等。 集控系统实现功能为 作者简介 林 蒙丹 1 9 8 1 一 ， 女 ， 浙江宁波人 ， 讲师 ， 学士学位 ， 主要 从事智能控制与信息处理 、 微机保护的教学与研究工 作。 1 6 2 h t t p ffZ Z H D． c h i n a j o u rna l n e t ． C l l E - m a i l Z Z H De h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 电气 技术与 自动化 林 蒙丹 ， 等 煤矿 通风机 变频调速监控 系统的研制与应 用 1 远程操作控 制生产 系统 ， 模 拟显 示风 机 的现场 运 行 。能在 中央集控 室控 制风机开停 ， 并能在上位机终 端根 据风机实际运行情况模拟风机运行画面。 2 设备运行监 测管 理。各 种监 测参 数包 括风量 、 电 动机轴承温度、 振动幅度、 电流 、 电压 、 功率等定时存储在 硬盘 中， 并 能以数据报 表 的形 式显示 给用 户 ， 方 便查 看分 析有关数据 ， 强化风机的管理 。 3 重要数据动态显 示 ， 事故 报警 能在 风机 性能 曲线 上动态显示风量 曲线 ， 由此预 测井下 用风量 的变 化 ； 同时 系统 还能显示 电动机 电压 、 电流 、 功率曲线 ， 当风机出现异 常情 况时 ， 系统 能进 行声光报警 。 集控系统上位机 画面如 图 2所 示。 图 2集控系统上位机 画面 3 ． 2 P L C控 制 系统 本系统以三菱 F X _ - 3 2 M系列 P L C为控制核心， 由 变频器、 传感器、 变送器和控制柜等组成。系统采用 2爱 变频 器控制 2台风 机 ， 每 台风机 和变 频 为一组 ， 2组互 为 备用。风机启动时根据风道选择风机 ， 系统采用变频软启 动 ， 以降低启动电流， 减小对电网的冲击。当启动设定频 率时 ， P L C控 制风门绞车 开启通 风机 进 风 门， 为 了防止 风 门在开关过程中的不到位引起漏风而降低风机效率， 通过 安装于风门绞车主轴上的轴轴编码器 ， 将风门行程信号转 换为数字信号送入 P L C高速计数模块 F M 3 5 01 ， 并存入 P L C内存中， P L C将此信号与设定信号进行对 比， 超出设 定值立即停车， 提高控制精度。 风量传感器采集通风机的风量信号， 经过变送器后送 给 P L C的 A ／ D模块 ， P L C将 电信号变换成相应 的风压数 字 信号存储在内存中， 程序采用复合滤波算法， 能有效消除或 减少各种干扰和噪声。风机正常运行过程中， 随着井下用 风量的变化 ， 风机 电动机的工作状态就要发生相应的转换 如果风量需求较大， P L C采集到得风量值小于系统预设值， 经过比较后将误差送给 S T E P 7的功能块 F B 4 1进行处理， 经过一系列程序运算后得到满足要求的P， I ， D值， 并转化 为4～ 2 0- n A电流信号， 送给变频器频率设定电流输入端， 控制变频器频率变化 ， 实现对通风机风量系统的闭环控制 。 风机供电回路的电流、 电压、 功率传感器用于测量风 机运行 过程中的电参数 ， 防止风机过压 、 过流 、 超 载等。温 度传感器采用 P t l O 0铂热电阻传感器， 分别对每台风机的 前、 后轴承温度， 定子温度、 排气温度等实施监测。振动变 送器由速度传感器和位置变送器组成 ， 速度传感器安装在 Ma c h in e B u i l d i n g 8 Au t o m a t io n ，De c 2 0 1 0， 3 9 6 1 6 2～ 1 6 3 风机仉元前后两侧， 用于监测风机水平和垂直方向的振 动， 它输出的电压信号与振动速度成正比， 并把速度值经 过积分后处理模块。上述信号经过 P L C处理后， 通过 P R O F I B U S总线传递到集控 系统 ， 用于告 知用户设 备各 种参数的状态 ， 这些处理后的数据保存到上位机数据库中 供后备查询使用 。 a 通风机出现故 障或停 机检 修 时 ， 必须立 即启 动另 一 台风机， 保证井下风量的连续供应 ， 风机切换顺序为 1 变频停止第 1台风机； 2 关闭对应的风门； 3 变频启动 另一台风机； 4 开启风门； 5 正常运行监控。 b 系统主要功能有 1 控制 和检测变频 器 的运行状 态 ， 利用 变频 器控 制 风机 启停 及正常运转 ， 可使 风机 电动机 连续调 速 ， 并可 根 据要求的流量调节转速获得最佳速度， 节约大量的电能； 起动 电流小 ， 低速时定转 矩输 出 ； 2 实时检测风机 的各种参数 ， 并与 P L C中预设的上下 限进行对比， 超限报警 ， 实现电动机工况参数的实时监测。 4 软 件流程 程序编制采用模块化结构， 针对风机变频控制系统的 特点 ， 将 程序模块分为风 机变 频起 动子程序 、 风 量调 整子 程序 、 报警 子程序 、 风机 变频 停止子程序等 。 系统初始化包括 设定风道初始风量 ， 选择风道 ， 检测 风门状态， P L C参数初始化等。变频启动子程序根据所选 风道变频起动相应的风机电动机 ， 并不断与预设风量进行 对比。如果相等变频起动结束， 风量偏差， 送给 P L C的 P I D处理子程序进行参数调节， 控制变频器调整频率。报 警子程序 判断风机各种参数 的变化 ， 如果大于设定 的上下 限值 ， 予以声光报警。在变频停止子程序 中， 系统对另一 组风机 的状 态进行判 断 ， 如果 满足 启动条 件 ， 则在 运行 的 一 组风机停止后 ， 立即启动备用风机进行供风 启动流程 相 同 。如果条件 不 满足 ， 给与 报警 ， 并 在上 位机 画 面上 给与提示 ， 提醒操作员手动开车， 以保证矿井通风的安全。 5 结 语 由 P L C、 变频器 、 上位 机等组 成 的风机 变频控 制 系统 是矿井综合 自动化 监控 系统 的一 个子 环节 。上位 机 系统 具有很强 的实时 监测 和故 障诊 断 能力 ， P L C、 变频 器控 制 系统拖动风机可 以克服起动 时大电流的冲击 ， 明显 提高通 风机的管理水平， 保证井下供风的安全、 合理、 稳定。系统 在徐州矿务集团庞庄煤矿经过 1 年多的运行检验， 性能稳 定 ， 运行可靠 ， 节能效果明显 ， 为整个矿井安全生产奠定了 良好 的 基 础 。 参 考文献 [ 1 ]石秋 洁． 变频器应用基础 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 [ 2]张永 惠． 高压变频器 的选择 [ J ] ． 变频器世界 ， 1 9 9 9 6 ． 收稿 日期 2 0 1 00 41 6 1 6 3