變頻控制技術在煤礦主通風機上的應用

0 引言

主通風機是煤礦四大固定設備之一，素有“礦井肺腑之稱”，它擔負著向井下輸送新鮮空氣，排出粉塵和污濁氣流，確保礦井安全生產(chǎn)的重任[1]。近年來，隨著國家對煤礦安全與經(jīng)濟效益的日益重視，煤礦機電設備的運行控制和自動化管理顯得尤為重要，因此，加強通風管理，防止安全事故發(fā)生，提高風機運行效率，確保其安全、經(jīng)濟、高效運行已勢在必行。

陜西省某煤礦原通風監(jiān)控系統(tǒng)存在以下問題：系統(tǒng)過于簡單、風機耗電量大、部分關鍵參數(shù)監(jiān)測精度較低、監(jiān)測內容不全面、未與調度中心信息系統(tǒng)集成。經(jīng)過多年運行，部分設備老化，多數(shù)儀表損壞，監(jiān)控系統(tǒng)處于半癱瘓狀態(tài)，已經(jīng)構成了嚴重的安全隱患。因此，必須對原有系統(tǒng)進行全面改造，建立完善、合理的監(jiān)控系統(tǒng)，以改變該礦落后的管理局面，提高礦井通風設備自動化和科學化管理水平。

1 變頻控制系統(tǒng)組成

為了適應礦井發(fā)展，滿足通風網(wǎng)絡變化的要求，通風機及其拖動電機在設計選型時都有一定余量，形成“大馬拉小車”的不經(jīng)濟運行現(xiàn)象。煤礦主通風機傳統(tǒng)的控制方式是風機全速運行，通過調節(jié)風葉安裝角度或風門開度調整所需風量，這種運行方式能耗大，約占煤礦能耗的15%~20%左右，并且調節(jié)不方便。采用變頻調速技術，可以根據(jù)礦井生產(chǎn)需求調整電機轉速來調節(jié)風量，既節(jié)約大量電能，又減少機械和風的噪音。

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》第四百四十二條規(guī)定[2]，主通風系統(tǒng)高壓兩回路10kV電源引自地面變電所不同的兩段母線上，通過架空線路接至主通風變電所高壓室，高壓母線為單母線分段結構，兩條高壓進線互為備用，安裝自投裝置，確保供電安全。高壓室設有7臺高壓柜。低壓母線也為單母線分段，設有進線柜兩個、母線聯(lián)絡柜一個，四個變頻柜分別控制兩臺對旋風機的四臺電機，兩個低壓配電柜為風門絞車供電，系統(tǒng)控制柜一個。變頻器選用日立變頻器SJ700系列。日立SJ700變頻器特別適合煤礦風機使用，具有如下優(yōu)點：

1)實現(xiàn)了0.3 Hz時200%以上高啟動轉矩，保證風機特殊情況下的正常啟動;

2)具有變頻器跳閘抑制功能，過電流抑制功能、過電壓抑制功能，根據(jù)負載調整所需的加速時間和減速時間，減少了跳閘的發(fā)生，提高了風機運行的安全性;

3)通過可編程序運行功能，實現(xiàn)簡易順序控制功能，內置簡易程序運轉最大可達512步，可以簡化上位裝置和周邊回路，節(jié)約了控制柜空間、降低了成本，提高了變頻控制柜可靠性;

4)采用冷卻風扇、平滑電容等長壽命部件，設計壽命達到10年，并具有壽命診斷功能，可以發(fā)出預告信號，提示在這些部件發(fā)生故障前對其進行更換，提高了變頻器的可靠性;

5)安裝標準的EMC噪音濾波器，降低了諧波和變頻器噪音;

6)專利微浪涌電壓抑制功能，即使和電機之間接線距離很長，也能抑制端子電壓的變動，保護風機電機的絕緣;

7)一個按鈕即可實現(xiàn)變頻器的緊急切斷，不通過變頻器的CPU，通過硬件就可以切斷輸出，從而實現(xiàn)高可靠性緊急切斷，保證應急停風機的要求;

8)變頻器內部基板三防涂層處理及銅條的鍍鎳處理，提高了變頻器環(huán)境適應性，適合煤礦應用環(huán)境。主通風變電所一次系統(tǒng)如圖1所示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)組成

礦井主通風機自動監(jiān)控系統(tǒng)以PLC 為核心，主要由信號監(jiān)測裝置、傳感(變送)器、PLC、通信裝置、上位機及其它設備組成，可分為風機變電站監(jiān)控系統(tǒng)和風機風速、負壓、振動、風機電機溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如圖2所示。

PLC 選用Sienens S7-300 系列PLC，硬件結構如圖3所示，主要由電源、CPU、數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、通信單元等模塊組成。

觸摸屏采用WEINVIEWMT508T 觸摸屏，通過MT5-S7300 通信電纜與PLC 連接，采用MPI 協(xié)議完成通信。觸摸屏動態(tài)顯示系統(tǒng)整體運行狀態(tài)。

S7-300 通過工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊CP343 連接到上位工控機或礦統(tǒng)調系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)測參數(shù)的實時顯示，并將監(jiān)測參數(shù)存儲到數(shù)據(jù)庫中;同時以數(shù)據(jù)、趨勢圖及報表等多種方式實現(xiàn)風機運行參數(shù)監(jiān)測結果的再現(xiàn)。根據(jù)設定的起始時間點，實現(xiàn)分、時、日和選擇變量形式，以時間間隔和變量數(shù)據(jù)等方式查詢、打印報表，完成性能測試，自動生成性能測試報告，通風機性能曲線等。

2.1 變電站監(jiān)控系統(tǒng)組成

變電站監(jiān)控系統(tǒng)高壓部分采用廈門工控生產(chǎn)的微機保護單元，該單元可就地顯示相電壓、線電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)，可通過RS485

接口使用MODBUS-RTU 協(xié)議與PLC 通信模塊CP341連接。