煤矿通风机变频控制系统的开发与应用.pdf

第 1 1期 2 0 0 9年 1 1月 工矿 自 动化 I n du s t r y a n d M i ne Au t o ma t i on NO ．1 1 NO V ． 2 0 0 9 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 1 1 --0 0 7 2 0 4 煤矿通风机变频控制系统的开发与应用 孙传余 ， 肖林京 ， 孙 慧 ， 王 书平 1 ． 山东科技大学机械电子工程学院， 山东 青岛 2 6 6 5 1 0 ； 2 ． 山东水利职业学院， 山东 日照2 7 6 8 2 6 摘要 针 对煤矿通 风 系统存 在通风机 利 用率低 、 系统耗 能 大、 自动化 水平低 等 问题 ， 提 出了一种煤矿 通风 机 变频调速 改造方案 ， 开发 了一种 变频控 制 系统 ， 详 细介绍 了控 制 系统 的组成 、 P L C控 制 系统 及计 算机控 制 的设计等。该控制 系统采用性能可靠的 S i e me n s P L C为核心控制 器， 使用“ 高一低 一高” 的变频控制方案， 节能效果 显著 。 关键 词 煤矿 通风机 ；变频调 速 ；变频控 制 ； P L C；D ANF OS S变频器 ；组 态软 件 ；节能 中图分类号 T D 6 3 5 文献标 识码 B 0 引言 改造 ， 有 效地解 决 了上述 问题 。 矿井通风机是煤矿生产中极其重要的设备， 担 负着向井下输送新鲜空气 、 排出粉尘、 瓦斯和污浊气 流、 确保矿井安全生产的重任。通风机也是大功率 连续运行的大型设备 ， 是煤矿生产中主要能耗设备 之一 ， 目前煤矿通风系统存在以下主要 问题 1 通 风机 利用率低 ， 系统耗 能大 某煤 矿 的通 风机额 定转 速为 9 8 0 r ／ mi n ， 额定 风量 为 1 0 8 0 0 m。 ／ mi n ， 当前 所需 风量仅 为 7 1 0 0 m。 ／ mi n ， 系统 过量 的 风量 均消 耗在风门阻力上， 通风机运行效率低 ； 2 系统 自动 化水平低 通风机的控制系统一般为传统的继 电器 控 制 ， 通风 机的启 停 、 倒风 、 反 风 以及 风 门 的调 节 等 操作， 都是 由人工手动完成 ， 并且系统所需风量改变 后 ， 调节过程往往不及时； 3 办公效率低 通风机 房内的控制参数 ， 如电流 、 电压、 流量、 负压 、 温度等， 均由工人定期巡检记 录， 效率低且不便进行计算机 存储 、 管理和打 印， 更无法实现数据共享 和远程监 控 。针对 以上 问题 ，笔者开 发 了一种 煤矿 通风 机变 频控 制系统 ， 通过 对煤矿通 风机 系统实行 变频技 术 收稿 日期 2 0 0 9 0 7 1 3 作者简 介 孙传余 1 9 8 2 一 ， 男， 山东 日照人 ， 硕士 ， 现为山东科 技大学机械 电子工程学院在读博士研究生 ， 主要从事 煤矿 控制设备 的研究工作 。E ma i l y a k e 2 1 4 7 1 2 6 ． c o rn 1变频控 制系统 的组成 某煤矿的原通风机控制系统采用 6 k V电压供 电， 有 4台 2 8 5 k W 电动机 ， 配有 1 1个 电气 柜 联 络 柜 、 1 进 线 柜 、 2进 线 柜 、 1 P T柜 、 2P T 柜 、 1 正逆换 向柜 、 2 正逆换 向柜 、 1 1 东通 风机馈 电柜 、 1 2 东通 风机馈 电柜 、 2 1 西通风 机馈 电 柜 、 2 2 西通 风机馈 电柜 。在 3 8 0 V 低压柜 里 ， 主 要 控制3 k W的斜 式风 门电动 机 、 7 ． 5 k W 的 立式 风 门电动机、 电机加热、 照明等。该系统基本上为人工 手动操作， 系统的 自动化、 智能化、 信息化水平低， 机 房 内控 制参数 孤立 ， 不 能 实 现远 程 共享 ， 为 此 ， 采用 变频技 术对 其进行改 造 。改造后 的通风机 变频控制 系统 主要 包含 三大 部分 变 频器 、 P L C控 制模 块组 、 工控 机及 触摸 屏 。如 图 1 所 示 ， P L C控 制模 块组 的 供电串接了不间断电源 UP S ， 以确保控制电源的持 续性和稳定性 ， 采集的信号主要包括开关状态 、 电压 值 、 电流值 、 负压值 、 温度值等 ， 并通过 P r o f i b u s总 线 接 口与 2台 变 频 器 相 连 ， 通 过 以太 网 通 信 模 块 C P 3 4 3 1 与 以太 网交 换 机 相 连 ， 最后 连接 到 工控 机 。工控机位 于调度 室 内 ， 只能显示 不能控 制 ， 便 于 领导层了解情况 ， 作 出决策 ； 触摸屏位于通风机房 内， 既能显示也能控制， 配合使用控制台上的按钮 ， 完成 不 同情形 下 的通风机 控制 。 [ 2 ] 王孝 良， 周广 辉， 安 毅． 有害 气 体检 测 仪设 计 中 的 数据处理I- J ] ． 仪表技术 与传感器 ， 2 0 0 6 3 1 2 1 3 ． [ 3 ] 沈悦 ， 梁 坚， 胡 真 ， 等． 智 能气 体识 别仪 的研 究 I- J - I ． 仪器仪表学报 ， 1 9 9 8 ， 1 9 1 4 1 4 4 ． I- 4 ] 罗亚非． 凌 阳 1 6位单 片 机应用 基础 I- M] ． 北 京 北京 航空航天大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 5 3 侯媛彬 ， 袁益民， 霍汉平 ， 等． 凌阳单片机原理及其毕业 设计精选[ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 6 ． 2 0 0 9年 第 1 1期 孙 传余等 煤 矿通风机 变频控制 系统的开发 与应用 7 3 状态 流 压 压度 图 1 通风机变频控制系统组成图 2 变频调 速方案 目前 ， 变频调速分 为高压变频 和低 压变频 2种 ， 由于该通风 系统 中的 4台 2 8 5 k W 电 动机 均 采 用 6 k V供电， 若直接使用高压变频器 ， 原通风机房 的 电气控制 柜改动较 少 ， 仅增 加 2个 高压 变频 器 柜 和 1个控制台， 相对简单， 但高压变压器设备造价非常 高 ， 可靠性 不及低 压 变频 器 。若 直 接使 用低 压 变频 器 ， 在改造方面需 要将 4台 6 k V 的电动机全 部更换 掉 ， 同时增加 2 个变压器柜 ， 原来的控制系统无法兼 容使用， 不能起到应急情况下备用的 目的， 而且施工 非 常麻烦 。结合 高压 变频 和低 压 变频 的优 点 ， 考虑 既降低成本 、 又能 保 留原 控制 系统 ， 且 施工 方便 ， 该 系统 采用“ 高 ～低 一 高” 变频 方案 ， 如 图 2所示 。通 过 降压变 压 器 将 电压 由 6 k V 转 换 到 6 9 0 V， 通 过 2 3 2 0 k W 的变 频 器进 行 变 频 ， 经 滤 波 器后 ， 再 通 过升压变压器变为 6 k V高压输出给驱动电动机。 1 正 逆开 关 6 k V母线 降压 变压器 高压开关柜 卜 _ 七 兰目] 1 样 升压 I l 变 频 器 开 关 l 变 压 器厂、 6 6 0 V 2 升压l l 开关2 变频器 开关 变压器J 叶 M 1 _ 2 l 2 滤波器 I 启动 I ] I 选择开关 2 正逆 开 关 图 2 变频调速方案示意图 通风 系统 中， 对 旋式 轴 流通 风机 2个 叶轮 的作 用是不完全相同的， 一个用来调节风压， 一个用来调 节流量， 为了达到最优的控制效率 ， 两者应存在 2 ～ 5 的 转 差 率， 所 以 系 统 采 用 了 2个 低 压 D ANF OS S F C 3 0 1 变频 器 ， 经 升压 变 压器 和启 动 选 择开关后 ， 给轴流通风机的 2台电动机供电。启动 时先将启 动选择开 关控 制在 合适 的位 置 ， 然 后使 用 变频 器缓 慢启动 ， 运 行 时每 台变 频器 拖 动 1台电动 机， 从而有效保护电动机并充分发挥各 自不同的作 用。为保证变频器故障后， 通风机仍能正常地工作， 系统中备用了正逆开关直接启动， 一个正转使用， 一 个反转使用， 由 P L C输 出的信号 ， 经隔离继电器逻 辑后 ， 直接控制每个开关的状态 。为方便检修， 每个 变频器和变压器都有各 自的供电开关 ， 不使用时可 将电断掉， 符合煤矿安全操作规程。变频调节和开 关控制均在低压过程完成 ， 全部 由 P L C输 出控制， 系统所有开关均 允许 电动操 作 ， 无需人 工干预 ， 操作 员只需操作控制 台上的按钮或触摸屏上 的按键即 可 ， 紧急情况 下 ， 允许人 工手动操作 。系统能够 自动 在主通风机和备用通风机间切换， 按一定的周期交 替运行 ， 发现通风机故障后 ， 可及时报警 ， 以便及时 进行维修 。变频器故障后， 系统 自动切换到备用开 关直接启动， 控制台显示器上会弹出明显的故障提 示 。通风 机不会 自动反转送风 ， 只有在人工 干预下 ， 才能反转 送风 。 3 P L C控制模块组成与开发流程 3 ． 1 PL C控 制模块 组成 P L C控 制 模 块 采 用 性 能 可 靠 稳 定 的 S i e me n s S 7 3 0 0中型 P L C， 通过模 拟输入／ 输 出模块和 数字 输入／ 输出模块实现对信息的采集和输出控制， 并将 信息直观地显示在控制界面里。D ANF O S S F C 3 0 1 变频器 通 过 P r o f i b u s总线 与 P L C相连 ， 1 1 个 电源 切换 开关 也 均 由 P L C控 制 运 行 ， 另 外 在 通 风 机 房 原有 的 1 P T 柜 、 2 P T柜 以及 6 9 0 V AC低 压线 路 中 ， 加 入 电压 变送 器 和 电流 变 送 器 。在 联 络 柜 ， 1 1 东 通风机馈 电柜 、 2 1 西 通 风机 馈 电柜 里 引出“ 合／ 分闸信号” 、 “ 手动／ 自动信号” 、 “ 合闸指示 信号” 、 “ 分闸指示信号” 、 “ 保护动作信号” 、 “ 高压储 能信号” 等。煤矿通风系统中有 4个 6 k V、 2 8 5 k W 的轴流式风扇电动机， 在每台电动机的 B相交流电 和轴向两侧各有 3个热敏电阻输出， 用来测量电动 机 的温度 ； 有 2个 3 8 0 V AC、 7 ． 5 k W 的立式风 门电 动机， 有 2个 3 8 0 V A C、 3 k W 的斜式风门电动机。 这 8个 电动机均需 正反转 ， 其 中 4个 通 风 电机 由变 频器改变转 向 ， 另外 4个 风 门 电动机 由 8个 接触 器 改变转 向 。2个风 门共 有 4个开 关 状 态 ， 每个 状 态 需要 2 个行程开关进行检测， 共有 8个行程开关 ， 有 4 个负压传感器， 另外系统预 留 2 0 的接 E l 。系统 共计有 8 O个 DI 信号、 5 6个 D O信号、 2 4 个 A I信 7 4 工矿 自动化 2 0 0 9年 1 1月 号。由 于 系 统 处 理 信 息 较 多， 且 P L C 需 通 过 P r o fi b u s 总 线与 DAN F O S S F C 3 0 1变 频器 、 工 控 机 和触摸屏通信， 完成数据运算、 时间统计、 过压／ 过温 次数统计 、 查询历史记录、 故障记录、 信息认证、 参数 设置 、 状 态查 询 等 功 能 。因 此 ， 选 择 S i e me n s P L C 模 块组 架构 ， 如 图 3所 示 ， 除 电源 模 块 、 C P U 模 块 、 接 口模 块 外 ， P L C控 制模 块 组 共 有 1 1个 S M 信 号 模块 、 1个通信模 块 ， 还 有机 架 、 隔离 继 电器 、 接线端 子 、 连接线 等 。 电源 PS 3 0 c删s 一 麟s S M3 21 S M3 2 1 S M S M3 S M3 2 2 S M3 2 2 06 Ac S AC 3 2 DC 1 6 DC 1 6 继 f l 6 继、 中奥棚．槊 ／ r I ＼I I M3 6 5 S M 3 2 2 S M3 2 3 S M 3 3 1 S M3 3l S M3 3 l 一 1 6 继 8 DC 8 AI 8 RAI 8 RAI C P3 4 3 1 图 3 P L C控 制模块组 的架构图 3 ． 2 P LC控 制 系统 的 开 发 流 程 S i e me n s S 7 3 0 0 P L C采 用 S I MAT I C S TE P 7 V5 ． x编程。该软件是 S I MATI C可编程逻辑控制 器组态 和编程 的标 准开 发包 ， 作 为 一个 平 台 可 以集 成各种控制设备的软件， 使不 同设备 以及站点具有 相同的数据库 ， 可以完成所有设备 的编程 、 配置、 调 试、 数据路由和通信工作等， 从而实现对项 目中所有 控制任 务 的 集 成 。开 发 过 程 1 创 建 一 个 项 目。 将所 有数据都 以分 层 的结 构存 于 项 目中 ， 且 所 有任 务都在这个项 目下 执行 。 2 组态网络 和通信 连 接。通信的基础是预先组态网络 ， 创建一个满足系 统 要求 的子 网 ， 设置 网络特性 、 网络 连接端 口和速度 等。 3 组态工作站硬件。组态工作站就是指定要 使 用 的 C P U， 如 S 7 3 0 0 、 S 7 4 0 0等 ， 并 在组 态 表 中指定系统的模块组成以及用户程序访问这些模块 的地 址 ， 地 址 一 般 不 用 修 改 ， 程 序 自动 生 成。 4 定义符号和使 用组织块 。在 C P U 的符号表 中 定义局部或共享符号， 用户程序使用这些符号替代 绝对地址 ， 符号的命名一般不超过 8个字母 ， 否则对 程序 的执 行 有 较 大 影 响 。添 加所 要 使 用 的 组 织 块 OB、 功 能 块 F B 等 ， 并 使 用 语 句 表 S TL、 梯 形 图 L AD、 功能块 F B D等方式开发控制程序。常用的组 织形式有基 于一个 O B 1 块 内的线形 编程 、 通 过 OB 1 调用功能块 F B的分布编程 、 编写通用块的结构化 编程等， 后两种的应用 比较广泛。 5 保存、 编译 、 下载。完成所有的组态、 参数赋值和编程任务之后 ， 编译无错， 便可以下载整个用户程序到 P L C， 在下 载程 序 时 P L C 必须 处 于 S TO P工 作 模 式 ， 运 行 时 P L C必须处于 RUN工作模式 ， 上 电后系统 自动进 行硬件检测和执行程序 。 4工控 机 的硬 件和 软件 工控 机 选 用 研 华 工 控 机 ， 其 配 置 奔 腾 双 核 2 ． 8 G／ 1 G／ i 6 0 G 光 驱 ／ 软 驱 ／ 键 盘／ 鼠 标 ； 使 用 P h o n i e x工业 以太 网交换 机 ， 扩展 网络 为拓 扑结构 ， 其配 置 为 2个 S C型光 纤接 口 ， 4个 快速 以太 网 口， 传输距离最 大为 3 0 k m， 传输速率为 1 0 0 Mb i t ／ s 。 接线 过程 简单 只需 用 网 线将 C P 3 4 3 1和 以太 网 交 换机 相连 ， 再 用 网线 将 以太 网交 换 机 和工 控 机 内 的 R T L 8 1 3 9 A 网 卡 相接 。其 它 端 口还 可 接入 具 有 以太网接 口的各种智能设备或仪器。为了完成上 述硬 件 间 的通 信， 软 件 设 置 如 下 在 S I MAT I C S TE P 7 V5 ． X软件 中 ， 安 装 I E S OF TNE T S 7和 I E S O F T NE T P G 两 个 组 件 ，并 在S e t P G／ P C I n t e r f a c e 的参 数列 表 中选 择 当前 计 算机 的 T C P ／ I P 网 卡 ；组 态P L C 工 作 站 硬 件 时 ，指 定 采 用 C P 3 4 3 1 ， 并 对其 子 网掩码 、 端 口地 址 和 I P地址 等 进 行设 置 ； 正确 编译后 ， 下载 到 P L C控制 器 中 ； 再在 工控机 组 态 软件 MC G S 6 ． 5里添 加 网络 设 备构 件 ， 指定 预通信 P L C的机 架 、 槽 号 、 I P地 址 等属 性 。全 部设 置 完 毕 ， 便 可 以完 成 P L C 与 MC GS之 间的 通 信。与 S i e me n s MP I 通信 的主要区别 不用专 门配 置 P C I 插卡 C P 5 6 1 1 ， 以太 网直接使用计算机 内的 网卡完成通信， 具有数据速率高、 网络拓扑结构灵 活、 传输距离远、 标准开放等优点。 设 置完成 后 ， 工 控 机 软 件 就 可 以正 常 运 行 了。 该通风系统包含 2台 2 2 8 5 k W 的对旋式轴流通 风机 ， 每 台通 风机有 独立 风道 ， 每 台通风机 装有 1 个 立式 风 门和 1 个斜 式 风 门 ， 立式 风 门用 于 调节 所 需 的风量， 斜式风门用于开关风道， 均为电动机带动 ， 2 0 0 9年第 l 1 期 孙传余等 煤矿通风机变频控制系统的开发与应用 7 5 当一台通风机工作时 ， 另一台处于备用检修状态。 软件 显示界面如 图 4所 示 ， 从 图 4可 以直观 地看 出 设备的运行状态、 风门的开关状态、 压力传感器的示 数 、 电压、 电流 、 转速 和 风速流量 等 参 数信 息等。 图 4 中实线箭头代表该风道未使用， 相应各个风门 处于关闭状态， 电流、 电压 、 转速和流量等参数均显 示为零； 虚线箭头代表风道正在使用， 相应各个风门 处于打开状态 ， 电流、 电压 、 转速和流量等参数显示 为变频调速后低 压过程 的数 值 。系统还 可显示 和记 录 当前 的时 间 ， 并能 存储 、 回放 和打 印数 据 ， 能 以曲 线的形式显示各参数的变化规律， 对于超限或者故 障的设备进行报警提示等。该组态晃面能实现系统 的互联 ， 使通风机房信息、 设备参数等资源通过以太 网实现了快速、 高效、 实时的共享， 但是为了提高通 风机房 的安全性 ， 不设 置 远程 控制 。所 有 的通 风机 控制只能通过通风机房内操作 台按钮或者触摸屏按 键完成 。触摸 屏 上 的控 制 界 面 与工 控 机 的 基本 相 似 ， 但多了模式选择和控制功能， 不再赘述 。 5 结语 图 4 工控机软件显示界面 煤 矿通 风机 系统 经变频 技术 改造 后 ， 通 风 机 的 启动 电流 和运行 电流 大大减小 ， 节 能效果 十分 明显 。 某矿对旋 式轴流通风机 配套 电动机 功率 为 2 P 2 2 8 5 k W， 额定转速为 N 9 8 0 r ／ rai n ， 叶片安装 角度为 3 3 。 ／ 2 8 。 ， 最大工 作风量 Ql 一1 0 8 0 0 m。 ／ rai n 一1 8 0 m 。 ／ s ， 当前 所需风 量为 Q 2 7 1 0 0 m。 ／ mi n 1 1 8 ． 3 m 。 ／ s 。在 最差 的工 况条 件 下 ， 通 风 机按 额 定 功率 2 P 运 行 且 风 门全 部 打 开 ， 产 生最 大 风 量 Q - ， 转 速 N ， 运 行 频 率 F 一5 0 Hz ； 采用 变 频 调 速 后， 风门的状态也是全部打开的， 需要风量 Q ， 此时 通风机功 率为 2 P 。 ， 转速 为 N。 ， 通风 机 运行 频 率 为F z 。由同条件下的比例公式近似有 1一 、』 ’2／ 。 一 。 P 1 ， 所 以 2 P 2 X 8 1 k W ， N2 6 4 4 r ／ rai n ， F 2 3 3 Hz 。所 以 2台电动机 每年 节省的 电费 电费按照 0 ． 6 0元／ k w h计 算 为 w l 元 PI P 2 3 6 5 2 4 0 ． 6 2 2 1 4 4 4 4 8 综上 所述 ， 通 过对煤 矿通 风机 系统 实行 变频 技 术 改造 ， 有效地 解决 了通 风机利用率低 、 系统耗 能大 等问题， 对矿井节能降耗 、 改善矿井经济指标 、 提高 矿井安全生产等都具有重要意义。 参考文献 [ 1 ] 祝龙记 ， 过希文． 变频 调速装置 矿井通风 机应用技 术 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 6 ， 2 7 1 0 1 8 1 1 8 3 ． [ 2 ] 肖林京 ， 孙传余 ， 梁慧斌． P L C在水泵 自动化监 控系统 中的应用[ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 0 7 3 1 0 2 1 0 4 ． [ 3 ] 范天吉． 煤矿通风综合技术手册[ M] ． 长春 吉林电子 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 赵 广堂 ， 郁 庆林 ， 耿 同凡． 可编程 序控 制 器在 扇风 机 自动化 变频 控制 中的应 用 [ J ] ． 山东 煤炭 科 技 ， 2 0 0 1 2 ． [ 5 ] 马瑞军． 煤矿风机监控管 理软件系统设计 [ J ] ． 自动化 仪表， 2 0 0 8 1 0 ．