井下风机变频控制系统设计

郑海峰

（阳煤集团一矿，山西阳泉 045000）

0 引言

煤炭一直以来对我国国民经济的发展起着重要的作用，煤炭的安全生产是我国经济发展的重要保障。井下通风机作为煤矿的重要设备之一，一直以来有着“矿井肺腑”之称[1-2]。矿井通风机除了向各个生产工作面输送新鲜空气之外，还担任排出有害物质诸如瓦斯、烟尘和煤尘等的重担[3]。以井下通风机为主要设备构成的煤矿通风系统一旦发生故障，将使得井下无法正常生产工作，甚至导致瓦斯突然增高，遇明火发生爆炸等灾难性事故，所以研究一种安全、高效、稳定的矿井通风机控制系统对保障煤矿安全生产具有重要意义[4-5]。本文设计了一种基于PLC控制器的通风机变频控制系统，其具有抗干扰能力强、节省电能和延长设备使用寿命等优点，提高了通风系统的可靠性与稳定性。

1 系统整体设计

1.1 主通风机工作原理

目前，我国大多数煤矿采用的主通风机主要分为离心式通风机和轴流式通风机两种。两者在工作原理与结构性能方面既有相似之处，同时又有各自的特点。离心式通风机由主轴、叶轮、外壳、进气口和出气口等机构组成[6]。电动机带动主轴转动，叶轮开始高速旋转，风流在离心力作用下由叶轮中心甩向叶轮边缘位置，并最终汇集在外壳部分，随着时间推移，风机内压力逐渐升高，风流在气压作用下涌出风机，从而最终形成稳定风流。轴流式通风机一般由叶轮、集风器、变流器、扩散器等部分组成[7]。电动机带动叶轮高速旋转，风流通过集风器收集沿着进风口轴向进入风机，经过叶轮旋转压缩，风流的初始动能转换为压力能，最后经过扩散器进一步降低流速，增大出风面积，使得风流沿轴向稳定流出。在能效利用方面，离心通风机的利用效率高出轴流式通风机10%～20%左右，本文主要针对离心式通风机进行控制系统设计。

1.2 系统整体结构与控制方案设计

矿井的通风系统主要由主通风机和风门组成，由于通风机在整个通风系统中为核心部件，所以国内大多数煤矿在设计时采用了系统冗余的思想。本文也无例外的采用2台通风机组，1台通风、1台备用的思想，确保煤矿通风作业不会间断。系统的整体结构如图1所示，风机控制柜通过检测风机出口处的压力信号和风量信号、电机的温度信号、巷道内的瓦斯浓度信号来实现风机的自动控制，其中巷道调度室与远程监控系统通过以太网连接，风机控制柜与巷道调度室采用RS485串口通信方式实现信号与指令的传输。当1号风机发生故障无法正常通风时，为了保障煤矿井下的安全，巷道调度室通过调用风机切换程序实现1号风机与2号风机的无间隙切换，以保证井下持续通风。

图1 系统总体结构设计

本文设计的控制系统采用负反馈控制方案，其中硬件部分包括PLC控制器、变频器、主通风机、风量传感器与瓦斯传感器等，软件部分包括上位机及各功能模块。系统启动后，由变频器带动主电机驱动通风机通风，系统通过安装在巷道的传感器获取风机出口处的压力信号，风速信号及巷道内的瓦斯浓度等信号，在通过控制器计算后，系统通过改变变频器的输出频率实现主通风机的风速调节。主通风机控制方案如图2所示，通过闭环系统PID控制，始终将矿井的各项指标维持在正常水平，保证井下生产安全。

图2 系统控制方案设计

2 系统硬件部分选型设计

2.1 控制器整体设计

本文设计的控制系统以PLC为核心控制器，由上位机、人机交互界面、报警装置、存储装置、电源通讯与各类传感器组成，控制器硬件结构如图3所示。

综合考虑控制器的输入输出点数、可扩展余量、存储单元大小与控制功能等特性，最终选用西门子公司生产的S7-300系列作为本系统的核心控制器。S7-300属于中小型PLC控制器，满足工业的中等控制要求，其指令处理速度较快，单个指令的处理时间在0.6μs内；人机交互界面方便快捷，工程技术人员上手简单，可通过梯形图直接实现系统功能的扩展；控制器具有自诊断功能，为事故分析提供科学依据；具有一定的保密功能[8]。

图3 控制器硬件设计

2.2 信号检测及抗干扰

当电机温度超过额定值时，会导致零部件损坏，破坏系统稳定性。本系统采用PT100型号温度传感器，其利用热电偶定律，传感器电阻采用热敏电阻，当被测温度升高时，传感器阻值升高，通过检测阻值大小，利用之间比例关系换算得到实际温度。

在检测风机出口风量大小时，由于巷道内的风速流场不均匀，直接测量会造成很大的误差，所以本文采用皮托静压管横动法，通过测量同一横截面各个测量点的压差得到风机的风量大小。

式中：v为通风机风速值；Δp为测量点的平均压差值；ρ为通过所测截面气流的空气密度；n为测量点的个数；Δpj为测量点的压差。

在对信号采集时，由于井下环境复杂，需对采集信号进行优化处理，以抵抗其他因素的干扰。本文设计的有源低通滤波电路如图4所示，其由电阻、电容与运算放大器等组成，作用是允许较低频率的信号通过，抑制高频率范围内的信号，除此之外还能够对信号起到放大的作用，增加传感器采集信号的强度，保证信号在传输过程中不会发生失真等情况。

图4 有源低通滤波电路

3 系统软件部分设计

系统启动后初始化，开启井下的风门，变频器驱动风机，在若干时间后风机正常工作，井下持续通风，系统开启信号采集子程序，采集风机运行参数，由PLC控制器处理数据实现风机闭环控制。系统查询中断子程序，检测风机的启动、反向送风与风机倒机状态，并执行相应子程序，当1号风机发生故障时，执行风机切换子程序实现2号风机的无缝衔接，保证井下持续通风作业。当接到反风指令时，按下风机停止按钮，风门始终保持开启状态，电机完全停止后按下反转按钮，实现反向通风。系统主程序流程如图5所示。

图5 系统主程序流程图设计

4 结束语

本文针对井下工作环境，设计了一种基于PLC控制器的矿井通风机变频控制系统，分析系统的工作原理与信号检测过程，选用合适的信号检测装置与检测方式对通风机的相关运行状态进行监控，以S7-300系列PLC作为风机的主控制器，通过负反馈闭环控制，调节通风机的出口风速。系统的应用将会提高风机之间的联动性，实现风机变频驱动，降低设备受到的损耗，延长使用寿命，保证井下持续通风，维持工作面生产安全。