矿山通风机数字化PLC工变频控制方案.doc

风机PLC变频控制系统方案一、系统概述 煤矿矿井通风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分,煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井内工作环境条件、生产效率、安全生产密切相关。主扇风机是通风系统的主要组成部分，是矿山主要动力设备之一，要求24小时连续运行，并且必须安装两台同型号风机，一台工作，一台备用。备用风机必须能在10min内正常启动。作为机械化程度不高的乡镇地方煤矿，主扇风机的耗电量约占全矿总电耗的20-40%，随着矿井的延深，生产规模的扩大，耗电量还将进一步增大。目前在煤矿矿井通风系统中 ,大多仍采用继电接触器控制系统 ,但这种控制系统存在着体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故障困难等很多的缺陷。针对这一系列问题，本系统采用可靠性高的PLC、变频器对系统进行改造，提高了风机运行的稳定性和安全性、节约了能源。本系统以PLC为控制核心，采用先进、可靠的传感器和信号检测装置实现对主扇风机的变频控制，对煤矿的安全生产将起到十分重大的作用。二、主扇风机运行现状及改造思路为了降低煤矿生产成本，满足生产需要，又适应扩大再生产的要求，必须对新风机进行调节控制，现有的风机调节措施有以下几种：1 节流调节就是利用调整闸板的开度而改变流量的调节法。这种方法最简单，但对轴流风机的运行稳定性影响很大，并有可能出现“喘振”现象，更谈不上节能要求。2 更换、削短叶片及改变叶片角度调节削短叶片或频繁更换叶片对小型矿山来说是不现实的，而改变叶片角度调节风量的范围受到一定限制，满足不了煤矿风机能大范围调节的要求。3 改变转速调节变速调节，风量的减少是靠降低风机转速而使风机压力特性降低来达到的，调节范围可达20%-100，流量与转速的关系为：n2 /n1 = Q2 / Q1这种调节方法没有附加阻力而引起的能量消耗，所以效率较高，转速调节又分为几种：(1)选用变速电机，0风机选用四极电机，额定电流达左右，用变速电机是不可能的。(2)采用大范围减速装置传动，这种方法虽可变速，但电机并不节能，并且整机效率降低，更满足不了灵活、调速之要求。(3)固定电阻调速，风机选用的是鼠笼式异步电机，更换绕线式电机需更大投资，外加固定电阻器，虽然满足调速要求，但电能过多的消耗在固定电阻上，不能节能，更谈不上节约投资，并且整套设备庞大，技术落后。(4)变频调速，交流变频调速是上世纪末迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，由于它是通过改变电源频率而调速，所以无需改造风机的机械部分，是鼠笼式电机调速效率最高的一种方式。变频调速作为一种新型的电力调速装置，已成熟地应用于工业生产的各个方面。它不但技术先进，调速平稳，启动容易，节能效果显著，而且容易操作，维护简单，而且保护功能齐全，与原控制系统互为备用，可方便的实现变频/工频切换。另外，利用我们山东科技大学雄厚的技术力量，将两台风机、四台电机用一套变频装置集中控制，既保证了矿山生产的安全，降低了生产成本，也大大提高了矿山的自动化水平。风机变频调速装置的工作原理：对于交流电动机，转速n与频率f成正比n=60f(1-S)/p S为转差率，为电机磁极对数，连续调节电源的频率，便能方便地改变电机转速，并实现无级调速（平滑调速）整个变频调速装置由电源控制柜、半导体电子元器件构成的电力变换器和三相交流电流机组成。由于转速n与频率f成正比，而电机功率与转速n的立方成正比，即n f 、n3，所以能实现f-n-P的动态匹配，自动调节能耗，达到节约用电的目的，而整个电子调频装置的耗能可以忽略不计。风机变频调速节能原理：对风机进行调速控制属于减少空气动力节能方法，比常用的调节风门开度控制风量的方式有着明显的节电效果，主要利用风机的轴功率与转速的三次方成正比原理。在保证矿井通风可靠性基础上，系统节能效果预计可达50%；井下六组局部扇风设备进行智能化工、变频技术改造，采用先进、可靠的监控基站和防爆变频装置实现对局部通风机的智能控制，系统运行节能率可达30%。风机采用变频调速器的特点：a节电效果明显：据经验数据推算，以极4电机现阶段以20HZ、5r/min转速左右运行，电机实际功率是P2=P1*N23/N13=45*5803/14503=2.88KW，理论节电可达93%！我们安保守计算(节电60%), 变频改造后，日节电可达650h，年节电约为23.4万KWh，（工频运行日用电为Wh，年耗电量为.9万h）。b调速范围广变频调速可方便的在f=10-50HZ范围内平滑调节，能可靠地运行于煤矿扩大再生产的全过程，操作简单，传动效率可达以上，功率因数不低于0.95，寿命长，故障率低，并可有效减小风机机械磨损。c振动小，噪声低，延长设备寿命，改善工作环境因为是无级调速，设备运行平稳，速度低，电控系统基本上是无噪声运行，风机噪声又随速度成正比降低，所以整套风机系统噪声会大大降低；同时设备平稳启动、停止，风机使用寿命明显延长，系统故障率明显降低。d起动性能优良使用变频运行，司机只要按动按钮就可实现风机软起动。省略了司机繁锁的操作程序，消除了电机起动对电网的强大冲击影响。e可进行工频变频切换，原电控系统与改造后电控系统互为备用，提高了风机运行的可靠性。f两台风机可共用一套变频装置，灵活切换。通过以上分析可知，煤矿风机电控调节方式最优方案是：采用变频调速装置。三、系统方案1 方案概述本系统以PLC为控制核心，通过传感器等检测装置将电动机定子温度以及风机轴承温度、负压、风量等输入量（模拟量）传送给PLC，然后PLC通过D/A转换模块发出控制变频调速器的速度指令使变频器带动风机按一定的速度运转。图1为PLC系统模块图。本系统中的两台风机是由四台132KW的三相电动机带动的，风机和电动机轴承、定子上都装有温度传感器，当出现温度过高的情况时，将信号传给PLC，PLC发出报警信号。三刀双掷开关QS1和QS2是工、变频转换开关，QS1合上以后风机进入变频运行，QS2合上以后风机进入工频运行，图2所示。当风机工频运行时，PLC控制KM1是闭合的，KM2是断开的，当风机轴承或者电机定子温度过高时，传感器将信息传给PLC，报警，PLC控制KM1断开，KM2闭合，备用风机启动运行；当风机变频运行时，KM3是闭合的，KM4是断开的，同样，当PLC接受到温度传感器发来的信息时，发出报警信号，并断开KM3，接通KM4，备用风机启动运行。图1系统模块图图2风机变频控制系统方案图2系统软件组成PLC控制方案和程序流程图图3 PLC系统结构图图4风机变频控制系统流程图本系统软件部分由V4.0 STEP 7 MicroWIN实现，完成了串车各种情况的巡检和控制。其控制流程图如上。控制流程为：系统初始化开始，系统模块进行自检，如果系统中有模块出现问题，系统将不能开启，不能进行下一步操作，检查系统模块，解决问题，系统各模块均正常以后，设定风机轴承、电机定子温度、负压以及风量参数，将设定值输入给PLC，根据现场情况选择风机运行方式，工频和变频。选择工频运行：风机启动运行，通过风机轴承、电机定子和轴承温度传感器将风机轴承和电机定子的温度传送到PLC中，和设定的参数进行比较，进行参数检测，如果没有出现故障即各温度参数没超过参数上限时，系统继续进行参数检测，当各温度超过参数上限时，温度过高的时候，PLC发出报警信号，并启动备用风机。选择变频运行：风机启动变频运行，负压和风量传感器对工作环境进行检测，当满足参数设定值时，风机正常运转，当负压和风量值低于参数设定下限时，PLC给变频器信号，进行变频加速，负压和风量传感器一直对工作环境进行检测，当负压和风量值达到PLC中参数设定值时，进入一下步检测，由于风机变频加速，负压和风量超过参数设定上限的时候，PLC给变频器信号，变频减速。工作环境各参数都正常以后，返回，如此反复。当风机轴承、电机定子温度过高时，PLC发出报警信号，并启用备用风机。图5为本系统组态图，图6为风机运行时风量曲线。图5 矿井风机数字化PLC变频控制系统组态图6 风机风量组态曲线图3 系统PLC选型本系统控制部分由西门子S7-200PLC实现，软件采用STEP7编程，该PLC是由框架和一些功能模块组成的，所选部分模块的用途如下：电源模块：输入电压为交流220V，输出为DC24V，5A，主要为CPU模块和通讯模块提供DC24V电源。图7 PLC电源模块CPU模块：作为PLC的核心模块，是程序保存和执行的部件。图8 PLC CPU模块通讯模块：通过该模块，PLC能很方便的与上位机和触摸屏进行通讯，上位机和触摸屏的所有控制信号通过该模块传送到CPU，实现对压风机的工艺流程的控制。图9 PLC通讯模块模拟量输入模块：该模块由16个模拟量输入通道，本系统选择4个，是外部模拟的温度、风压、风量和粉尘浓度等信号进入PLC的唯一入口。PLC模拟量输入模块是矿井风机控制系统的一个重要部分，温度传感器、风压传感器、风量传感器和粉尘浓度传感器将检测到的信息通过模拟量输入模块输入给PLC（输出值是模拟量的传感器可以不用此模块）。图10 PLC模拟量输入模块4、系统检测硬件配置温度传感器：选用PT100防爆型温度传感器。Pt100温度传感器是一个模拟信号，它在实际应用中不需要显示而采集到PLC中，这样的话在使用的时候就是只需要一块pt100的集成电路，要注意的是这个集成电路采集的不是电流信号是电阻值，pt100的集成电路（需要一个12VDC电源提供工作电压）直接把采集到的电阻变为1-5VDC输入到PLC，经过简单的计算就可以得到相应的温度值（这样的形式可以同时采集多路）Pt100温度传感器产品规格:Pt100/Pt1000测量温度范围-50450Pt100，Pt1000薄膜铂热电阻元件, 标准安装螺纹M8X1，M10X1,“1/2”,“3/4”,M27X2任选探头保护管直径4，5，6. 图11 Pt100防爆型温度传感器风量传感器：矿用风速风量传感器 型号:CT1-KGF2。技术指标： 测量范围: 风速0.315m/s 坑道断面积： 小于30m2；(任意设置) 允许误差： 小于0.3m/s 重复性误差： 读数值+1% 输出信号： 2001000Hz/515Hz 或420mA/15mA 风速、风量三位LED就地显示 工作电压： 本安DC1218V 工作电流: 小于60mA 换能器工作频率：140150KHz图12 CT1-KGF2矿用风速风量传感器风压传感器：PTP708风压传感器。量 程: 01KPa10KPa100KPa1(MPa) 综合精度: 0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS 输出信号: 420mA(二线制) 供电电压: 24DCV(936DCV) 介质温度: -2085 环境温度: 常温(-2085) 负载电阻: 电流输出型：最大800；电压输出型：大于50K 绝缘电阻: 大于2000M (100VDC 密封等级: IP65 长期稳定性能: 0.1%FS/年 振动影响: 在机械振动频率20Hz1000Hz内，输出变化小于0.1%FS 电气接口(信号接口): 四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母 机械连接(螺纹接口): 1/2-20UNF、M141.5、M201.5、M221.5等。图13 PTP708风压传感器粉尘浓度传感器：GCG1000型粉尘浓度传感器（矿用）图14 GCG1000型粉尘浓度传感器5、系统变频器及其控制（一）系统变频器选择本系统选用德国西门子公司产的MicroMaster430变频器，型号为：SIEMENSM 6SE6430-2UD41-3FB0 132KW 。MicroMaster430是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家。功率范围7.5kW至250kW。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高度可靠性和灵活性。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。本系统所选电机功率为132KW，此变频器节能效果良好。主要特征：380V-480V10%，三相，交流，132kW；风机和泵类变转矩负载专用；牢固的EMC（电磁兼容性）设计；控制信号的快速响应； 传动平稳。 控制功能：线性v/f控制，并带有增强电机动态响应和控制特性的磁通电流控制（FCC），多点 v/f控制；内置PID控制器；快速电流限制，防止运行中不应有的跳闸；数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP通讯模块；灵活的斜坡函数发生器，可选平滑功能； 三组参数切换功能：电机数据切换，命令数据切换； 风机和泵类专用功能： 多泵切换；旁路功能；手动/自动切换；断带及缺水检测；保护功能：过载能力为140额定负载电流，持续时间3秒和110额定负载电流，持续时间60秒；过电压、欠电压保护；变频器过温保护；接地故障保护，短路保护；I2t电动机过热保护；PTC/KTY电机保护。 矿山主通风机属煤矿一级负荷设备,要求运行绝对可靠,而其又是24h连续工作。为保证系统运行安全可靠，所以我们矿山选用可靠性比较高的进口西门子变频器