基于PLC控制的變頻器切換柜設(shè)計及應用研究

王斌

（山西科技學院，山西 晉城 048000）

1 概 況

礦井主通風機是煤礦重要的通風設(shè)備，為了確保煤礦生產(chǎn)的安全穩(wěn)定，礦用通風系統(tǒng)都是24 h不間斷工作，這就要求礦用通風系統(tǒng)必須具備非常高的可靠性。古城煤礦通風系統(tǒng)采用雙回路供電系統(tǒng)，變頻器也采用一用一備的方式配置。但在實際運行中發(fā)現(xiàn)，古城煤礦目前的雙變頻器供電系統(tǒng)只能在在用設(shè)備與在用變頻器、備用設(shè)備與備用變頻器都完好的情況下才能進行切換，存在安全隱患。為了解決這一問題，對原有供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行改造，設(shè)計了一套利用通風機PLC控制系統(tǒng)進行控制的變頻器切換系統(tǒng)，實現(xiàn)了變頻器之間更靈活高效的切換。

2 系統(tǒng)總體方案研究

礦井通風系統(tǒng)利用各種通風設(shè)備，將地表面空氣按既定路線源源不斷地送到井下，同時將井下渾濁的空氣排到地面，保證井下各類有害氣體濃度符合相關(guān)標準的要求。古城煤礦主通風機房安裝有2臺主通風機，型號為AGF606-4.0-2.4。為保證主通風機的不間斷運行，采用2臺變頻器分別驅(qū)動2臺主通風機，1號變頻器驅(qū)動1號主通風機，2號變頻器驅(qū)動2號主通風機，通風機房設(shè)備布置如圖1所示，現(xiàn)有供電系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 通風機設(shè)備布置Fig.1 Fan equipment layout

圖2 通風機房原有供電系統(tǒng)Fig.2 Original power supply system of fan room

以1號主通風機運行，2號主通風機備用為例，主通風運行方式為：I回路供電系統(tǒng)通過1號進線柜給1號主通風機運行柜供電，1號主通風機運行柜給1號變頻器供電，1號變頻器驅(qū)動1號主通風機運行；同理，II回路供電系統(tǒng)通過2號進線柜給2號主通風機運行柜供電，2號主通風機運行柜給2號變頻器供電，2號變頻器可以隨時驅(qū)動2號主通風機運行，2號主通風機處于熱備狀態(tài)。同時配置一套PLC控制系統(tǒng)。

3 現(xiàn)有系統(tǒng)存在主要問題

主通風機是煤礦重要的大型設(shè)備，擔負著全礦井下的供風任務，《煤礦安全規(guī)程》要求主通風機必須在10 min內(nèi)完成切換。古城煤礦是高瓦斯礦井，主通風機一旦發(fā)生故障，很容易造成瓦斯超限，但在實際運行中發(fā)現(xiàn)，古城煤礦主通風機供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)存在以下問題。

（1）根據(jù)主通風機房原有供電系統(tǒng)圖可知，I號供電回路、1號進線柜、1號通風機運行柜、1號變頻器只能驅(qū)動1號通風機運行，II號同理，因此一旦出現(xiàn)類似1號變頻器和2號主通風機同時故障的情況，主通風機就不能進行正常的切換，整個通風系統(tǒng)將無法運行。

（2）在雙變頻切換過程中，高、低壓供電系統(tǒng)的停、送電不能進行遠程集控，只能就地操作，出現(xiàn)需要現(xiàn)場多人操作的情況，增加了誤操作的幾率。在雙變頻切換過程中，變頻器需要按照變頻器低壓系統(tǒng)先送電、然后再給變頻器高壓系統(tǒng)送電的順序操作，整個過程都是就地操作，很容易因為現(xiàn)場人員操作不熟練、操作順序不正確等原因?qū)е虑袚Q失敗。

4 供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)改進

4.1 變頻器切換柜設(shè)計

根據(jù)古城煤礦變頻器之間相互切換的需要，設(shè)計了變頻器切換柜，解決類似1號變頻器和2號主通風機同時故障導致無法切換的問題。設(shè)計的切換柜主要由1個斷路器（QF1）和4個接觸器（KM1、KM2、KM3、KM4）組成，能夠在《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定時間內(nèi)完成變頻間的切換，切換柜原理如圖3所示。

圖3 切換柜原理Fig.3 Switching cabinet principle

以1號主通風機運行為例，KM1、KM2閉合，QF1斷開，1號變頻器驅(qū)動1號主通風機運行，2號變頻器及2號主通風機備用。如果1號變頻器和2號主通風機同時故障，就需要用2號變頻器驅(qū)動1號主通風機。此時只需要停止1號通風機的運行，斷開KM1、KM4，同時閉合QF1，然后再閉合KM3、KM2，啟動2號變頻器，就可以實現(xiàn)2號變頻器驅(qū)動1號主通風機。增加切換柜后的整個供電系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 增加切換柜后的供電系統(tǒng)Fig.4 Increase the power supply system after switching cabinet

4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

主通風機變頻器的切換過程涉及很多控制量，部分控制量的操作具有順序性，為了克服就地操作可能導致的誤操作，保證切換過程中高、低壓送電操作的順序性，設(shè)計了基于PLC控制系統(tǒng)的切換柜控制系統(tǒng)，同時為了方便設(shè)備的安裝調(diào)試，配置了就地操作和集中控制2種操作模式。具體從硬件和軟件2方面進行設(shè)計。

4.2.1 硬件設(shè)計

首先需要設(shè)計切換柜上的就地、集中2種控制方式的切換，切換柜整體控制線路如圖5所示。通過切換柜的旋鈕及控制線路，可以實現(xiàn)就地與集中控制的選擇。切換柜功能旋鈕布置如圖6所示，切換柜SA0、SA1、SA5旋鈕為就地操作和集中控制選擇旋鈕，SA2、SA4旋鈕為風機正常運行與風機備用選擇旋鈕，SA3旋鈕為變頻器切換旋鈕。

圖5 切換柜控制線路Fig.5 Switching cabinet control circuit

圖6 切換柜旋鈕布置Fig.6 Switch cabinet knob layout

以1號主通風機運行為例，1號主通風機正常運行，2號主通風機備用，則SA2處于1號風機運行位置，SA4處于備用位置，QF1處于分閘狀態(tài)，SA3處于0位；如果1號變頻器和2號主通風機同時故障，就需要用2號變頻器驅(qū)動1號主通風機，讓停止的1號主通風機運行，則需要將QF1處于合閘狀態(tài)，然后將SA3旋鈕處于2號變頻器帶1號主通風機的位置即可。

集中控制的實現(xiàn)主要依靠PLC控制系統(tǒng)，因此PLC的選擇至關(guān)重要。此次設(shè)計選用S7-400系列PLC，是具有中高檔性能的PLC，采用模塊化無風扇設(shè)計，適用于對可靠性要求高的大型復雜的控制系統(tǒng)，可提供多種級別的CPU模塊和種類齊全的通用功能的模塊，用戶能夠根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)，模塊化設(shè)計可以將不同模塊進行靈活組合，擴展十分方便。為了提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及兼容性，將原通風機機控制系統(tǒng)中的PLC控制模塊調(diào)整為S7-400系列中的CPU412-2DP。

針對輸入輸出模塊選擇的問題，CPU412-2DP控制模塊需要連接輸入輸出模塊，但是S7-400系列里面輸入/輸出模塊價格比較高，而能完成同樣效果的S7-300輸入/輸出模塊較為便宜，因此將S7-400模塊作為主控制器，利用ET200模塊設(shè)置控制分站，由ET200模塊連接S7-300輸入/輸出模塊，組成具有較高性價比的控制系統(tǒng)分站。ET200分 站 接 口 模 塊 選 擇IM153，具 體CPU412-2DP與IM153及S7-300輸入/輸出模塊組態(tài)如圖7所示。

圖7 切換柜控制分站組態(tài)圖Fig.7 Switching cabinet control substation configuration diagram

4.2.2 軟件設(shè)計

此次設(shè)計利用模塊化編程的思想進行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，將整個主通風機啟動、切換、停止等操作過程通過PLC程序進行控制，具體程序如圖8所示。根據(jù)控制系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能要求，將程序劃分為多個子程序模塊，每個子程序模塊實現(xiàn)某一方面具體功能，并由主程序采用自上而下的方法在邏輯上進行調(diào)用。通過PLC主程序OB1來調(diào)用FB、FC程序塊，就能很好保證各類輔助設(shè)備正常運行，實現(xiàn)主通風機的正常啟動、切換，同時也能將設(shè)備的運行狀態(tài)及時反饋回控制系統(tǒng)，方便對整個系統(tǒng)進行控制。

圖8 PLC控制程序Fig.8 PLC control program

5 結(jié) 語

本文針對古城煤礦原有主通風機供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)在變頻器切換方面的不足，研究設(shè)計了一套基于PLC控制的變頻器切換柜，通過切換柜調(diào)整了主通風機的原有供電系統(tǒng)，同時把原有的主控制器調(diào)整為CPU412-2DP，把切換控制系統(tǒng)作為分站進行控制，相關(guān)控制變量統(tǒng)一反饋回控制系統(tǒng)。該切換系統(tǒng)經(jīng)過實際切換測試，實現(xiàn)了變頻器的快速切換，提高了古城煤礦主通風系統(tǒng)的安全可靠性。