基于变频器的主要通风机控制系统_程玉龙.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 基于变频器的主要通风机控制系统 程玉龙 1， 2 （1．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037； 2．中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037） 摘要 设计了基于变频器的煤矿主要通风机控制系统。介绍了变频器与主控制器进行数据交 换的工作原理， 工作方式。文章从主控制器监测变频器的方式、 控制变频器的方式、 变频器的功 能设置、 变频器的外部接线等方面详细分析了数据交换中需要注意的问题， 以及基本原则。对需 求中出现的变频器无级调速问题进行了深入分析， 提供了解决方案并实施。 关键词 主要通风机； 监控系统； 变频器； PLC； 无级调速 中图分类号 TD676文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 02-0105-04 Design of Main Fan Monitoring System Based on Inverter Control CHENG Yulong1,2 （1．State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China; 2．China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China） Abstract A main fan monitoring system based on inverter control is designed． This paper introduces the working principle and working mode of data exchange between the inverter and the main controller． This paper analyzes in detail the problems and basic principles in the data exchange from the aspects of the monitoring mode of the master controller, the control mode of the inverter, the function setting of the inverter, and the external wiring of the inverter． The problem of stepless speed regulation of inverter in the demand is analyzed deeply, and the solution is provided and implemented． Key words main fan; monitoring system; inverter; PLC; stepless speed regulation 随着变频器技术的发展，大功率变频器技术逐 渐成熟，同时矿山生产对能耗控制的需求越来越 大，变频器在煤矿主要通风机上的应用日益广泛。 在构建矿山主要通风机站监控系统时，如何设计 PLC 或其它主控制器与变频器进行数据交换，达到 监测监控目的，成为新的课题。通过合理架构主控 制器与变频器的数据交换及控制方式，可以使系统 数据传输稳定、工作可靠，进而提高生产监控的安 全性[1-4]。 1变频器常见控制方式 变频器的基本原理是将输入的三相工频交流电 先整流成直流电压，然后通过逆变电路等处理， 将 直流电压逆变为频率、电压可控的交流电波形， 进 行输出， 驱动电机运转[5]。 变频器一般有多种频率控制方式，大体可分为 下面 5 种 1） 通过控制面板上的电位器对运行频率进行调 节。控制面板上带有 1 个旋钮，其内部是 1 个电位 器，对旋转按钮的调整实质上是改变电位器输出阻 值的大小，采样及控制电路即依据阻值的变化调整 变频器的输出频率。 2） 通过控制面板上的 UP、 DOWN 按钮进行频率 调节。在变频器运行时， 使用其控制面板上的 UP 键 增加输出频率， DOWN 键降低输出频率。 3） 通过控制自定义开关量接口端子进行频率调 节。开关量输入端子接受干触点信号，通过不同触 点的闭合、 断开， 设置不同的输出频率。具体有 2 种 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．023 程玉龙．基于变频器的主要通风机控制系统 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2） 105-108． CHENG Yulong． Design of Main Fan Monitoring System Based on Inverter Control ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 105-108． 移动扫码阅读 105 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 频率调节方式 1 种是段速调节， 即预设不同的频率 定值，端子上输入不同的逻辑组合，选择不同的频 率定值输出； 1 种是端子控制频率增减， 通过端子闭 合时间的长短， 决定频率的增减量。 4） 通过 485 总线进行频率调节。在变频器运行 过程中，通过 RS485 总线读写对应的寄存器地址， 写入频率值， 变频器即输出对应的频率。 5） 通过模拟量端子进行频率设定。在变频器的 模拟量输入端子上输入不同的模拟量，如 0～10 VDC 电压信号、 0～20 mADC 电流信号、不同频率的 脉冲信号等对变频器的输出频率进行设定，输入信 号是保持信号[6]。 2系统设计 2.1现场情况 原主要通风机站变电所内设置有 4 台变频器 柜，分别控制主要通风机的 2 台电机及备用通风机 的 2 台电机，变频器柜的频率调节方式是通过变频 器面板上的电位器旋钮控制，控制则使用旋转开关 实现主要通风机的启动、 停止、 反风操作。旋转开关 位于右边档位是正常启动通风机；位于中间档是停 止运行通风机机；位于左边档位则是反风运行通风 机。此种变频器的控制方式， 即为二线制工作方式。 其中变频器柜面板上安装有 1 个三档位的旋钮组合 开关， K1 和 K2 作为组合开关上的 2 组不同触点， 分别控制变频器控制端的 FWD 端子和 REV 端子。 因当前控制方式无法满足自动控制的要求，因此需 要对变频器的控制方式进行改造，使其适应具有无 级调速功能的需求。 2.2PLC 对变频器频率的控制 PLC 控制器可以提供常见的无源继电器触点输 出、 RS485 总线通讯、 模拟量输出。对于面板控制的 按钮， 旋钮， 由于没有对应接口， 无法直接使用 PLC 控制器进行控制。只有后 3 种频率调节方式可以由 PLC 控制器进行控制。 在通风机运行时， 影响风量的因素很多， 一般有 风量与转速的立方成正比关系[7-10]， 基于变频器控制 的主通风机系统一般是通过微调电动机运行频率来 实现通风量的控制。在监测通风量的同时，微调变 频器的运行频率，要求频率的变化值小，以避免造 成通风量的剧烈波动。使用固定的频率段来调节通 风机电动机的运行频率并不方便，无法实现无级调 速， 因此， 并不适合频率段控制方式； 使用 RS485 通 讯方式控制变频器的运行频率则存在 1 个问题 当 PLC 出现故障等情况，必须重新通过变频器的控制 面板设置运行参数后， 方可现场人工调整频率， 而一 般的变频器， 正常运行时改变频率设置并不生效， 必 须在停机状态设置控制方式，这给生产造成一定不 便， 在紧急情况下， 是种隐患。而且， 通过 RS485 总 线对变频器进行读写， 需要合理调度读写时序， 对读 写时的通讯质量状态进行判断，从而增加程序编制 复杂性； 而使用模拟量对变频器频率调节， 同样存在 一种隐患 模拟量需要一直输入， PLC 控制柜如果突 然断电、 异常， 则将导致模拟量没有输出或者异常， 给通风机运行带来不确定因素， 一旦出现问题， 通风 机将无法正常运行。 综上，使用变频器的开关量端子控制频率增减 方式， 是比较好的选择 ①PLC 通过无源继电器触点 控制变频器， 抗干扰能力强； ②PLC 可以通过定时器 给出精准的继电器闭合时间，调整频率的步进值一 致性好； ③PLC 的运行与变频器的工作关联相对弱， 只有调节频率的时刻，才通过继电器的闭合时间控 制频率， 正常工作时， 并没有输出； ④端子可以引至 开关柜面板按钮上，在 PLC 故障或不工作期间， 操 作员仍可手动切换频率， 并不影响正常生产， 提高整 个系统稳定运行的容错性， 同时给检修、 测试带来极 大便利。 2.3变频器工况参数监测 使用 PLC 获取变频器的工况参数时， 需要注意 的是 变频器的工况参数较多， 如进线电压、 输出电 压、 设置频率、 运行频率、 输出电压、 输出电流、 转 速、 输出功率等参数， 尚有过流、 过压、 欠压、 过载等 故障， 而变频器的模拟量端子有限， 一般只能提供运 行频率等有限参数， 并不能提供全面的参数， 不便于 掌握变频器的主要工况， 因此， 主控制器使用 RS485 总线接口， 读取变频器内部寄存器， 获得工况参数比 较适宜。 综上所述， 系统的逻辑结构如下设计 PLC 控制 器与变频器之间，划分 2 种数据交换通道。控制采 用开关量控制， 由 PLC 控制器通过继电器的无源触 点， 操控变频器的控制端子， 实现控制功能； PLC 控 制器通过 RS485 总线， 连接变频器， 根据通讯协议， 读取变频器内部寄存器以取得实时工况数据。PLC 与变频器控制逻辑图如图 1。 2.4设备改造 改造需要综合考虑控制方式是否可靠，所用材 料是否节省，施工难度是否低。变频器控制端子改 造接线原理图如图 2。 106 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 在原变频器柜体上开孔，增加 4 个按钮 SB1～ SB4，分别作为通风机电机控制变频器的合闸、 分 闸、 运行频率增加、 运行频率减少控制按钮， 其中分 闸信号需要接按钮的常闭触点，其他控制接常开触 点。同时保留变频器柜体上的原旋转开关 K2， 将其 作为正/反转信号保持开关，开路作为正转控制， 闭 合作为反转控制。 按图纸改造变频器柜控制线路后，因为所接的 控制端子发生改变，需要找到变频器设置菜单中的 对应参数， 进行设置， 以重新定义控制端子的功能， 变频器参数重新定义表见表 1。 以上参数设置只涉及了本次监控改造部分， 未 涉及电机运行参数设置。变频器的控制方式设置为 三线制 2， 在该模式下， 正反转控制 REV 端子使用 保持信号， 常开即为正转， 常闭即为反转， 使用原旋 转组合开关控制。 该变频器的 RS485 通讯支持 2 种协议 ASCII 字符串方式和标准的 MODBUSRTU 方式。因为 PLC 开发程序中， MODBUSRTU 方式较为常见且容易实 现， 因此， 将对应的参数位设置为 MODBUSRTU 工 作方式。 2.5固件程序 因为 PLC 的一个工作特点是程序可以并行方 式执行。因此可以将 RS485 通讯程序块、 数据解析 程序块、无级调速频率控制块编写为相对独立的模 块， 而不必考虑其具体时序关系。 针对 MODBUSRTU 通讯协议， 固定的参数存储 在固定的寄存器内， 只需发送固定格式的读取命令， 读取各寄存器里面的参数，然后按寄存器分配表进 行解析即可。 系统采用 1 台 PLC 控制柜控制 1 台主要通风 机的方式， 因此， PLC 需要与主要通风机的 1 级变频 器柜和 2 级变频器柜进行通讯。因为 2 台变频器的 通讯方式都是只读方式， 通讯方式单一， 宜使用分时 间段定时轮询的方式。预估正常通讯时间，然后加 一定余量， 以此为通讯周期， 顺序读取 2 台变频器的 参数，即可完成变频器的参数读取。读取变频器的 流程图如图 3。 每次在 RS485 总线上进行设备的轮询， 都需要 考虑通讯质量问题，包括设备无应答时间、设备不 回复重新发送查询命令次数、数据帧校验不通过等 异常情况。在保障数据读取正确的情况下，使用尽 量少的读取次数可以提高通讯效率。MODBUSRTU 通讯协议支持 1 次读取多个连续的寄存器，但不同 厂家设备的通讯方式略有差异，读取连续地址寄存 器的位数不同。现场变频器在每次 RS485 通讯过程 中，支持 1 次读取地址 3000 寄存器至 3014 寄存器 共计 15 个寄存器。这样在 PLC 程序的时序时序设 表 1变频器参数重新定义表 Table 1Redefining the parameters of the inverter 序号参数位设置值功能 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P0.01 P6.00 P6.01 P6.02 P6.06 P6.07 P6.08 P6.09 P0.02 设为 3 设为 9 设为 14 设为 15 设为 35 设为 36 设为 3 设为 1 设为 29.07 端子加减运行频率有效 X1 为三线式运转控制 X2 为增加频率 X3 为减少频率 FWD 为正转 REV 为反转 控制方式为三线制 2 按键频率变化率 1 Hz/1 s 主运行频率设为 29.07 Hz 10P5.09设为 103 RS485 波特率 9 600 数据位 8 位 停止位 1 位 起始位 1 位 无校验 MODBUSRTU 协议 11P5.10设为 1 RS485 通讯地址 1 级变频器设为 1 2 级变频器设为 2 图 1PLC 与变频器控制逻辑图 Fig.1Logic diagram for control the inverter 图 2变频器控制端子改造接线原理图 Fig.2Changed wiring for control the inverter 107 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 4改变变频器运行频率的流程图 Fig.4Flowchart for changing the frequency of the inverter 计上可以 1 次读取所有需要的寄存器，从而使程序 简洁， 减少 RS485 总线上的轮询时间。 变频器调节运行频率的最小步长值是 0.01 Hz， 表 1 中设置的的频率跳动速率为 1 Hz/s，则在频率 改变端子 X2和 X3上， 每次输出 100 ms 的触点闭合 信号，即可以将变频器当前运行的频率值增加 0.1 Hz。根据现场要求， 改变变频器运行频率的流程图 如图 4。 3结语 使用 PLC 控制器控制基于变频器控制的主要 通风机系统， 需要结合现场实际， 因地制宜， 综合考 虑软件和硬件的架构方式，设计符合实际要求的方 案； 对变频器无级调速的需求， 使用 PLC 的定时器， 配合开关量端子控制变频器的频率调节，可以获得 较为精确的频率输出；将变频器的控制与参数读取 在数据流上进行相对独立，可以有效减少固件程序 复杂性， 减少故障几率， 提高系统响应时间， 是一种 比较可靠的架构方式。 参考文献 ［1］ 商坤， 王建军．变频调速在煤矿矿井通风机上的应用 ［J］ ．煤矿安全， 2006， 37 （7） 18－20． ［2］ 韩静．变频器在煤矿通风机节能降耗上的应用 ［J］ ．煤 炭技术， 2016， 35 （3） 266－268． ［3］ 赵广党， 肖耀猛， 王坚刚．进口变频器在煤矿机电设备 上的应用 ［J］ ．煤矿安全， 2007， 38 （3） 42－44． ［4］ 杨晓辉， 宋国栋， 苏鹏， 等．矿井主要通风机工变频自 动切换技术 ［J］ ．煤矿安全， 2015， 46 （1） 79－81． ［5］ 车显生．变频器在低压配电系统中的应用 ［J］ ．煤炭技 术， 2007， 26 （2） 48－49． ［6］ 孙守德．变频器通信控制方案分析和研究 ［J］ ．制造业 自动化， 2008， 30 （2） 47－50． ［7］ 王志斌．煤矿轴流式风机应用变频调速实现节电分析 ［J］ ．煤矿机械， 2007， 28 （5） 136－137． ［8］ 张运华， 赵春涛， 耿建设．变频技术在主风机上的应用 ［J］ ．煤矿机械， 2007， 28 （9） 184－185． ［9］ 田景武， 马丛林．变频技术在矿井通风管理中的应用 ［J］ ．煤矿安全， 2005， 36 （4） 27－29. ［10］ 陈建学， 张春利．变频调速技术在矿井通风中的应用 ［J］ ．煤矿安全， 1999 （2） 4－5． 图 3读取变频器的流程图 Fig.3Flowchart for reading the inverter 作者简介 程玉龙 （1978） ， 黑龙江人， 高级工程师， 硕 士， 2007 年毕业于重庆大学，主要从事煤矿仪器仪表及自 动化技术的研究工作。 （收稿日期 2019-04-19； 责任编辑 李力欣） 108 ChaoXing