工控自动化技术文摘 矿井主通风机在线监控系统

田志慧

[摘 要]针对矿井在扩产中出现的新问题，在充分满足矿井扩产需要的远景设计用风量的同时，应用自动化和变频节能技术对主通风系统进行了优化设计，取得了明显的节能效果，增强了通风机运转的可靠性与安全性，提高了主通风系统的自动化水平，为建设数字化绿色矿山奠定了坚实基础。

[关键词]矿井主通风机 自动化 变频节能

中图分类号：TD74 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）16-0335-01

1.、概述

矿井主通风机是煤矿主要大型设备之一，它担负着向井下输送新鲜空气、保证井下工人身体健康和安全生产的重任，故要求通风系统必须绝对可靠；同时它又是矿井的主要耗电设备，目前国内大部分矿井采用是恒转速的风机，井下所需的风量风压通常是利用调节闸门大小、改变叶片角度及数目等方式来完成的，不能根据实际所需要风量的大小，自动调整通风量；并且在风机出现故障时需手工切换工作设备，人工上报故障信息，可靠性实时性和节能效果都不理想。

2、总体设计方案

2.1 技术思路

矿井主通风机变频控制系统采用了“高压变频器+PLC控制+远程监控”的模式，实现对矿井地面主扇的自动控制。通过2台高压变频器（多极串联式）为电机供电，每台高压变频器拖动一台风机的两台电机，同时通过切换回路可实现两台风机变频器的互投运行。配备了两套PLC控制系统，实现风机的自动控制和参数监测。利用高精度的差压、负压传感器，依靠PLC高速的数据处理能力，实现风量的准确计算；实现风机的自动控制及运行参数（风量、负压、电流、电压、振动、温度等）的在线监测；更换高低压供电柜，需具备综合保护装置或利用硬件接口实现与PLC控制系统的连接，能为PLC控制系统提供必要的参数和状态，同时也能接受PLC的分合控制。增加一套低压供电设备，为新系统及风门电机等设备提供电源。增加一套操作及监控设备，完成必要的操作和上位机监控功能。改造现有风门控制，增加风门限位开关等。

2.1.2、PLC控制部分

PLC控制系统是风机系统的核心，其主控单元和各测量装置的好坏直接关系到控制功能和控制效果的实现。因此，在综合考虑可靠性、稳定性、处理速度和通讯功能等多项指标的基础上，采用西门子的S7-300系列PLC作为本系统的主控单元。PLC控制系统包括以下部件：SIEMENS S7-300PLC及数字量、模拟量和通讯单元模块等，振动变送器二台、温度巡检仪二台、UPS不间断电源一台、24V开关电源以及继电器和接线端子若干。由于单条导轨所能容纳的PLC模块数量有限，而本系统中的输入、输出量较多，因此使用了扩展导轨，即利用IM365模块再增加一条导轨。

2.1.2.1 PLC控制系统作为监控系统的控制中心，主要具有以下的功能：控制和检测高压配电系统的开关状态，通过485总线通讯，利用系统设置的综保单元，实现对高压配电系统电气参数的采集；控制和检测低壓配电系统的开关状态，实现对低压配电系统电气参数的采集；实时检测风机电机的温度和振动参数，利用电机定子线圈预埋的温度传感器和电机上装设的振动传感器，实现电机工况参数的实时监测；为系统控制算法的快速处理，提供可靠的平台；完成系统实时数据的以太网发布，为远程监控系统提供实时数据；控制风门电机的启停，并与风机电机实现逻辑闭锁，防止误操作；为远程监控系统提供以太网通讯实现对变频器变频或风量的给定；实现风机启停时的加速及减速过程的自动控制。实现主备风机的故障自动化切换实现井下火灾等情况下的自动反风，或按预设方案进行自动或手动反风。

2.1.2.2软件编制

考虑到矿井主风机运行工况的特殊性（是不间断运行系统），程序的设计按控制方式的不同分三个部分：自动，手动，远控。此处还有自诊断技术等。

自动方式：在此种方式下，不需要人的参与，完全由现场的PLC进行智能检测控制；若运行时出现问题，风机即能自动的调节风量切换到另一台风机；并提示相关的工作人员进行现场维护。远控方式：

自诊断技术：在程序中进行了设备的自诊断，在起动设备前，依靠高可靠的检测装置，可以在程序中对设备运行条件进行检测，若某一运行条件不满足，就给出相应的运行警告，提示工作人员迅速检查设备，并进行相应的操作，沿路进行工况的需求。

运行参数监测：通过传感器和变送器，可检测风机风量、轴温、振动、电机温度、电流、功率等风机与电机的工作参数，以监测风机系统的运行状况，并适时对其进行调节。

自动切换风机：当监测系统检测到一组风机的运行参数出现故障时，风机故障系统进行相应的报警提示，并自动切换到备用的另一台风机，同时完成风门控制、风机加速启动、风量调节过程，保证风机的切换过程在6分钟以内完成。

自动反风：风机的反风运行是受严格控制的，当井下发生大的火灾时，需要进行反风运行，系统可提供两种模式的反风运行，一是自动反风，为实现自动反风不能运行在手动方式，必须在PLC控制的模式下，并需要与火灾束管系统进行通讯，以便能及时获得火灾信息。二是手动反风，即需要进行反风操作时，操作人员可通过就地触摸屏或远程监控终端进行有权限的发出反风命令，系统降会自动停止运行中的风机并转入反正运行状态。

应急情况处理：此处所指的紧急状态是指可能影响到风机正常运转、并有可能导致风机停机的状态，至于普通的警告信息，在此不再赘述。

2.1.3 高压变频器部分

根据电机额定功率1600kW和同时驱动两台电机的需要，选用了风机专用变频器，电压6KV、功率1600KW。

变频器采用功率单元串联叠波（又称功率单元多重化结构）方式、正弦波PWM调制方法，利用成熟的低压变频器技术和功率器件IGBT，从而保证了系统的可靠性，并使变频器的输入输出波形得到极大改善。功率单元和控制系统之间采用光纤通讯，实现强弱电间的完全电气隔离，提高了整个系统的抗干扰能力。（见图1）

为了最大限度满足连续运行的要求，控制系统提供了两种旁路运行方式：单元旁路和工频旁路。

单元旁路：运行过程中，若某个功率单元发生可旁路性故障（如单元过热、单元过流、IGBT故障等），系统将自动旁路掉故障单元及另外两相相同位置的单元。单元旁路后，因每相串联单元数减少，变频器将降容运行（输出额定电流不变，额定电压降低）。此时，若变频器运行频率较低，单元旁路不对变频器运行造成任何影响。功率单元采用可控硅作为旁路器件，整个旁路过程是微秒级的，不会对运行产生冲击。因此，旁路是无扰动的。变频器单元旁路运行时，将给出轻故障报警信号。在运行维护人员应尽快使变频器退出运行，更换故障单元。工频旁路：当变频器发生重故障无法继续运行时，变频器将立即分断高压输入，系统自动将电机投入工频运行，以确保生产的连续性。

3、结束语

开滦集团主通风机通过技术改造，彻底改变了传统的控制模式。变频调速及远程监测监控系统运行稳定、可靠，减小了员工的劳动强度，减小了维修、维护量，提高了生产效率，提高了系统的安全可靠性，节电效果明显。这不仅给矿井生产带来了巨大经济效益和社会效益，为企业的现代化管理提供了一个服务平台，而且为矿井主通风机的全数字化、自动化、信息化的运用开创了一个良好的开端，具有广泛推广和应用前景。

参考文献：

[1] 变频技术在煤矿主通风机设计中的方案优化[A].马修峰.安全高效矿井机电装备及信息化技术——陕西省煤炭学会学术年会论文集（2011）[C]. 2011

[2] 基于信息融合技术的主通风机故障参数检测系统[A].韩艳娟，宋建成.煤矿自动化与信息化——第19届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨中国矿业大学（北京）百年校庆学术会议论文集[C].