基于PLC控制的变频调速在矿井通风机中的应用

[摘 要]本文以马脊梁煤矿为试验背景，通过设计PLC控制的变频调速器，并将其运用到矿井通风机中，以瓦斯作为控制参数来实现变频调速，来实现通风机的电机转速能随要求实时调整，从而达到通风的经济性和安全性。

[关键词]通风机；PLC；变频调速；控制

中图分类号：U24 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0399-02

0 引言

马脊梁煤矿井田面积18.19km2，地质储量2.5亿t，可采煤层为7#、11#、14#，设计产能180万t，经过三次扩建年核定生产能力达380万t，本矿井相对瓦斯涌出量为0.22m3/t，绝对瓦斯涌出量1.54m3/min，属低瓦斯矿井。但随着煤炭开采深度的增加，瓦斯浓度急剧增加，瓦斯已成为威胁到本矿井安全生产的主要因素，做好通风工作是处理瓦斯的主要措施，然而井下空气中的瓦斯浓度是一个变化的量，随着采掘工作等因素的影响其浓度变化很大，因此为实现井下局部通风机电机能随井下巷道内的瓦斯浓度实时调整，以此来控制井下巷道内的风量，从而达到控制瓦斯浓度的目的。PLC是一种新型的控制装置，并且在各个行业内的电气控制中运用已经相当广泛，其不仅能对复杂逻辑进行控制，还可以在各个控制中实现顺序与定时功能。本文通过将PLC和变频器结合起来进行设计，以瓦斯浓度为控制参数来调节风机电机，实现风量的自动化控制，这样不仅实现了瓦斯的自动排放，并且还能节能的目的[1]。

1 PLC控制技术在矿井通风机应用

在以PLC为基础的控制系统中，电路的开关动作基本上都是由半导体电路实现，PLC在设计时考虑了其各种工作环境，保证了PLC能在各种条件下都能可靠的工作。PLC已经模块化与系列化，产品用户在使用时可以根据自身的要求对其进行灵活设置，硬件装置不再需要制作，使用时只需要设计程序即可满足不用要求。PLC使用的是梯形图编程语言，与传统的接触器控制电路相似，容易掌握。其输入输出功能比较完善，不仅可以逻辑化控制大量开关，还可以进行各个电路的运算和控制。在输入输出方面，其可以很方便的与各种类型的接口连接。

变频调速技术可以根据要求来改变电源频率以达到改变电机转速的目的。通风机是煤矿设备的必要设备，且耗电量在所有的矿用电气设备中最大，因此在矿用通风机上推广使用变频器对于节能的意义巨大[3]。将其运用到通风机上可以实现风机无极调速，根据生产要求实时调整风量，减少电能损耗。变频器还可以在风机启动时限制电流，减少峰值功率损耗，避免在电机启停时对设备的冲击，减少设备的损耗。变频器有很多的保护功能，对保证风机的安全运行意义明显。PLC与变频器结合使用，可以实现对井下通风系统的监控，减少了通风系统检修的工作量。

2 控制系统基本原理

系统的结构如图1所示。

PLC作为此系统的主控单元，局部通风机的电机作为此系统的被控单元，电机的运行为变频运行，控制参数为瓦斯的浓度。采用的PLC的型号为FX2N-32M，以FX2N-4AD作为A/D模块，采用的变频器型号为FR-A540。

当瓦斯浓度变化时瓦斯传感器可以将信号通过A/D传递给系统，并且通过PLC进行分析运算把控制指令输送给变频器，这样就能实现电机转速的控制，从而实现了控制的最优化。此系统可以在工频和变频之间进行切换，在电机的变频器发生故障或者需要电机长时间工频运行时，系统可以自动将其转换至工频，此系统的调节方式一共有手动与自动两种调节方式，手动方式下可以人为的来控制电机的启停等功能，从而电机的可控制性得到提高。

3 控制系统硬件电路

此PLC系统的硬件组成的电路如图2所示，I/O地址表见表1。

此系统可以使用手动方式来调节变频器的频率，也可通过变频器自带的功能来进行设置。

4 PLC程序设计

本次设计的PLC程序流程图见图3。

根据相关规程规定，在瓦斯浓度超过1.5%时需要排放瓦斯。所以为了节能，在瓦斯浓度小于15%时，通风机提供的风量应该随着瓦斯浓度的变化而变化。本次设计的系统可以满足此要求，调频控制程序见图4所示。

此外，由于通风不仅要满足排放瓦斯的要求，还有除尘等要求，所以根据需要设置电机的频率最小为25Hz。

此装置使用了变频器上RH、RL和RM组合来控制通断，在瓦斯浓度变化时风机的转速可以转换进行调节，此程序设计了5个级别的电机转速[2]，其具体设计值见表2。

5 结语

根据马脊梁煤矿井下局部通风的需要，设计了PLC控制的变频调速的局部通风机，此装置不仅可以及时实现瓦斯排放，保证了矿井通风的安全性，并且还可以实现了用电的经济型，此设计方法对于类似条件下的变频调速有很大的借鉴意义，经济和社会意义巨大。

作者简介

李花宁（1976-），男，甘肃庆阳人，现任乌鲁木齐新伟鑫进出口贸易有限公司木垒阿吾孜苏煤矿机电矿长。