變頻調(diào)速通風(fēng)機系統(tǒng)的PLC控制

劉偉

【摘 要】利用西門子S7-300系列PLC，結(jié)合變頻器開發(fā)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的精準控制。系統(tǒng)上位機利用臺達觸摸屏，系統(tǒng)控制算法利用主通風(fēng)機風(fēng)壓與風(fēng)量的關(guān)系實現(xiàn)PID控制，通過對變頻器的控制，從而實現(xiàn)對通風(fēng)量的實時動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)煤礦通風(fēng)機的可靠、平穩(wěn)運行。

【關(guān)鍵詞】PLC;變頻調(diào)速;通風(fēng)機;變頻器;觸摸屏

在煤礦生產(chǎn)過程中，為了獲得新鮮空氣的補充，需要利用通風(fēng)機進行空氣循環(huán)，從而為井下提供安全的環(huán)境。通常，通風(fēng)機運行環(huán)境條件比較差，并且需要長時間地工作，通風(fēng)機功率較大，導(dǎo)致通風(fēng)機出現(xiàn)故障。

針對上述通風(fēng)機故障問題，本文提出了一種利用PLC、結(jié)合變頻器實現(xiàn)的通風(fēng)機變頻控制系統(tǒng)，通過利用實時監(jiān)測的通風(fēng)機風(fēng)量、風(fēng)壓等系統(tǒng)參數(shù)，經(jīng)過系統(tǒng)軟件計算以后對變頻器轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，達到目前所需要的最優(yōu)狀態(tài)，在實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能的同時降低系統(tǒng)的故障率。另外，通過上位機實現(xiàn)對系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的實時監(jiān)控。

一、控制系統(tǒng)整體方案

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)硬件主要包括 PLC、變頻器、傳感器、臺達觸摸屏等。控制系統(tǒng)核心部分采用西門 子 S7- 300系列 PLC;變頻控制部分采用西門子 MM430 型號的變頻器;另外，需要利用傳感器對通風(fēng)機的風(fēng) 量、風(fēng)壓進行監(jiān)測;為了實現(xiàn)人機交互控制，本文采 用臺達觸摸屏作為人機交界面互實現(xiàn)實時監(jiān)控。PLC與變頻器之間采用一路串口通信，PLC與觸摸屏之間采用另一路串口通信。

（一）系統(tǒng)控制功能

1.手動控制。本文設(shè)計的控制系統(tǒng)同樣設(shè)計有手動控制方式，在需要對旁路變頻器進行人為控制運行時可以選擇手動控制。手動控制需要在觸摸屏進行設(shè)置，而且需要現(xiàn)場操作人員確認。觸摸屏選擇手動控制以后就會發(fā)送相應(yīng)的信號到 PLC，PLC 與變頻器進行通信實現(xiàn)運行、加速、減速、停止控制。

2.全自動控制。當(dāng)系統(tǒng)選擇為全自動運行方式時，PLC 根據(jù)現(xiàn)場通風(fēng)機監(jiān)測傳感器監(jiān)測到的實時信號，包括風(fēng)壓、風(fēng)量信息，計算當(dāng)前所需要的風(fēng)量，并計算出當(dāng)前通風(fēng)機運行的速度，通過與變頻器通信實現(xiàn)對變頻器輸出頻率的調(diào)整。

3.系統(tǒng)自診斷。在投入使用之前，變頻控制系統(tǒng)根據(jù)各部分傳感器監(jiān)測到的信號做出判斷，當(dāng)無法滿足啟動要求時，系統(tǒng)就會發(fā)出故障信號，同時在觸摸屏顯示故障內(nèi)容，通知操作人員進行處理。

通風(fēng)機轉(zhuǎn)向? 轉(zhuǎn)速控制：

a）正反轉(zhuǎn)控制。在正常工作狀態(tài)下，通風(fēng)機為正向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)礦井的通風(fēng);當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到礦井發(fā)生火災(zāi)事故后，需要控制通風(fēng)機反轉(zhuǎn)，通過觸摸屏與礦井中的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)通信實現(xiàn)通風(fēng)機轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)換，同時在觸摸屏顯示當(dāng)前通風(fēng)機旋轉(zhuǎn)方向。

b）瓦斯聯(lián)動控制技術(shù)。礦井中的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測報警系統(tǒng)同樣與觸摸屏進行通信。當(dāng)瓦斯?jié)舛冗^高時， 報警系統(tǒng)發(fā)送信號，觸摸屏發(fā)出轉(zhuǎn)速提高信號，使礦 井通入的空氣量增大，降低瓦斯的濃度，保證生產(chǎn)環(huán) 境安全。

（二）通風(fēng)機變頻調(diào)速原理

通風(fēng)機電機為異步電機，因此其轉(zhuǎn)速與供電電源頻率間的關(guān)系可以用公式可以看出，改變通風(fēng)機電機的轉(zhuǎn)差率、電機極對數(shù)，或者改變通風(fēng)機供電電源頻率，都可以 使通風(fēng)機轉(zhuǎn)速改變。通常，改變電機的極對數(shù)及轉(zhuǎn)差 率較為困難，改變供電電源頻率比較容易實現(xiàn)，并且 可以實現(xiàn)平滑變化。

（三）PLC系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)采用的控制器是西門子 S7- 300 系列 PLC，CPU 型號為 314IFC。PLC 與變頻器通信采用串口通信，PLC 作為主機，變頻器作為從機，PLC 將控制信號發(fā)送到變頻器，變頻器根據(jù) PLC 發(fā)送的數(shù)據(jù)進行輸出轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向的控制數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。

二、PLC 程序和觸摸屏程序設(shè)計

系統(tǒng)通過各種傳感器、變送器和輔助開關(guān)實現(xiàn)對現(xiàn)場信號的采集。根據(jù)系統(tǒng)實際指標、環(huán)境條件等來選擇監(jiān)測器件。西門子 S7- 300 系列 PLC 接收壓力變送器測量的 4～20 mA 標準信號，經(jīng)過程序運算后，輸出對應(yīng)變頻器的頻率控制信號，從而控制礦井道的通風(fēng)量。傳感器通過對應(yīng)的變送器實現(xiàn)對壓力、溫度等標準信號的監(jiān)測，然后通過西門子 S7- 300 系列 PLC 進行程序處理，實現(xiàn)對主通風(fēng)機的有效控制。通風(fēng)機軸 承溫度、電機軸承溫度的測量等，采用PT100 鉑電阻和溫度變送器，將溫度信號轉(zhuǎn)化為 4～20 mA 的電流信號;選用 0～30 mm 位移傳感器測量軸承的水平振動和垂直振動，其輸出信號為 4～20 mA 的標準電流信號; 選用負壓傳感器測量井下通風(fēng)巷道負壓的變化情況， 測量范圍為 0～5 kPa;通過各輔助開關(guān)實現(xiàn)對開關(guān)量信號的采集。

系統(tǒng)程序設(shè)計：

（一）PLC 程序設(shè)計

通過PLC 輸出的控制信號實現(xiàn)對變頻器的控制，從而實現(xiàn)對通風(fēng)機的控制。在手動控制模式下，通過觸摸屏界面選擇對應(yīng)的控制按鈕發(fā)送控制信號，實現(xiàn)對通風(fēng)機加速、減速、停機等的控制。在全自動控制模式下PLC采用 PID控制算法。

利用 PLC 內(nèi)部系統(tǒng)函數(shù)實現(xiàn) PIE 控制，主要實現(xiàn)過程如下：

利用 BOOL 型輸入?yún)?shù) COM_RST 對 PID 進行重新啟動，BOOL 型參數(shù) MAN_ON 可以實現(xiàn)對 PIT 算法的手動復(fù)位，當(dāng)該數(shù)值為 1 時，對應(yīng)的輸出值等于輸入值。PID：CYCLE：TIME：PID 表示 PID 算法對輸入信號的采樣周期;GAIN 為實型數(shù)據(jù)，表示的是 PID 算法的比例增益;TI：PID 表示算法的積分時間參數(shù);TD：PID 表示算法的微分時間參數(shù)。輸出參數(shù)包括 LMN，是實型參數(shù)，表示的是 PID 算法的輸出值。

（二）觸摸屏程序設(shè)計

觸摸屏主界面顯示PLC當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括風(fēng)機的風(fēng)量、風(fēng)壓、軸溫等數(shù)據(jù);同時具有歷史數(shù)據(jù)查詢功 能，可以將當(dāng)前系統(tǒng)的各物理量利用數(shù)據(jù)圖予以顯示。隨著回采結(jié)束，圍巖變形速率顯著降低，在監(jiān)測接近 尾聲時，圍巖變形量趨于穩(wěn)定，變形速率在 0.01 mm/d 以內(nèi)。這表明，采用優(yōu)化后的巷道圍巖支護方案，可 以有效應(yīng)對斷層作用下圍巖破碎、鄰近采面動壓影響， 圍巖控制取得了顯著的效果，可以確保巷道后續(xù)的使 用安全。

三、結(jié)束語

盤區(qū)運輸巷采用原支護方案圍巖變形較大，主要原因是掘進范圍內(nèi)受 DF113、DF121和 DF1263條斷層影響，圍巖較為破碎，加之鄰近回采工作面采動動壓作 用，巷道原采用的架棚支護不能抵抗圍巖應(yīng)力，造成 巷道斷面收縮量較大，給巷道正常使用帶來不利影響;|

a）針對巷道圍巖破碎及動壓影響，提出采取以錨注為核心的圍巖支護優(yōu)化措施，支護后圍巖變形量控制在446 mm 以內(nèi)，圍巖變形得以顯著控制，確保了巷道的使用安全;c） 巷道掘進至不受動壓影響且圍巖較為完整的區(qū)域時，可以繼續(xù)采取原支護措施。

【參考文獻】

[1] 丁可可.煤礦大斷面切眼圍巖變形破壞特征及支護參數(shù)設(shè)計[J].能源與環(huán)保，2019，41（12）：150-153.

[2]王肖猛.巷道頂錨桿支護參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計研究[J].機械管理開發(fā)，2019，34（12）：33-35.

[3]楊宸.煤巷錨桿支護效果評價及合理支護參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2010.

[4]岳崇炎.新橋煤礦2107軌道巷支護優(yōu)化設(shè)計[J].能源與環(huán)保，2018，40（5）：208-212.

[5]王吉峰.淺埋煤層大斷面巷道支護技術(shù)優(yōu)化[J].