矿井对旋通风机自动化调频控制系统的设计研究

续文静

（晋能控股煤业集团同家梁矿， 山西 大同 037001）

引言

对旋通风机是煤矿生产中重要的通风设备，可向井下的工作面输送新鲜空气，并将井下的瓦斯等有毒有害气体排出，对煤矿的生产安全具有直接的影响。通风机在煤矿的生产中需持续地运转，消耗大量的电能。随着节约型社会建设的要求，对通风机的运行进行高效、节能控制是重点研究方向[1]。同时通风机在运行过程中，需依据现场环境的变化，进行风量、风压的不断调节，从而满足工作面通风的需求。针对对旋通风机的调节控制，采用变频控制的方式进行通风机的一体化自动控制[2]，从而提高对旋通风机运行的自动化控制水平及可靠性，为煤矿的生产安全提供有力保障。

1 对旋通风机变频调速控制系统设计

对旋通风机采用两级叶轮的形式进行通风作业，两级叶轮之间相距较近，采用两台独立的专用电机驱动叶轮朝着相反的方向旋转[3]。空气介质经过一级叶轮的加速后，通过二级叶轮排出，增加气流的能量，提高通风机的效率及压力。在通风机需要进行风量调节时，可采用恒转速调节和变速调节两种方式[4]，恒转速调节指通风机的转速保持不变，通过改变通风机叶轮的角度或风门等进行风量的调节[5]；变速调节指通过改变通风机的转速，从而改变通风机的特性，实现运行工况的最佳效果，从而进行风量的调节。在两种调节方式中，采用变速调节的方式可以降低通风机的能耗[6]，减小风压的作用，从而获得较大的风量，是进行风量调节的最佳方式。

对通风机的风速进行调节的方式包括改变电机的磁对数或转差率及改变电源的频率，变频器进行通风机的变频调速控制是常用的控制方式[7]。采用V/F控制方式的变频器算法简单、成本较低，是进行通风机变频调速的主要方式。

矿用的通风机常用6/10 kV 高压电机进行驱动，对其进行变频器内置常采用H 桥级联型高压变频器。在使用过程中，高压变频器的主回路如图1 所示[8]，高压变频器采用交- 直- 交高压变频的方式进行驱动，变频器的主回路结构如图2 所示，采用功率单元串联进行叠波升压的方式。6 kV 高压变频器副边绕组的数量为18 个，采用等边三角形连接的方式对功率单元进行三相供电[9]。输入侧采用隔离变压器进行二次线圈的移相，相当于系统中36 脉冲的不可控整流输入，从而消除了单个功率单元的谐波电流，从而抑制系统的谐波，实现无谐波的高频控制，提供控制系统的稳定性[10]。

图1 6 kV 高压变频器主回路连接示意图

图2 高压变频器的主回路基本结构

2 对旋通风机变频协调控制

对旋通风机在实际的煤矿生产中，依据工况的不同对两级叶轮的运行常有三种不同的工作状态，即前级叶轮和后级叶轮同时运转、前级叶轮静止后级叶轮运转和前级叶轮运转后级叶轮静止。在三种不同的运转状态中，需要对通风机的两台电机进行协同控制，从而实现通风机调节时电机的同步启动、调速或停机[11]。采用变频控制的方式对两级叶轮进行协同控制可以分为两种方式，即采用PLC 作主控器控制或对变频器进行串行控制。

采用PLC 作为主控制器对对旋通风机的叶轮进行协调控制，则系统采用Profibus-DP 总线的形式进行控制，采用变频器作为从站与主站之间的PLC 通信，系统的总线结构如图3 所示。

图3 现场总线连接示意图

对变频器的控制可以采用两种方式，一种方式为图3 中DP 地址为3、4 的变频器互相进行主从控制，PLC 主控制器通过现场总线结构来自变频器的控制指令，然后通过现场总线的方式将其发送给2 号变频器，从而2 号变频器跟随1 号变频器进行启停动作；另一种方式为1 号及2 号变频器直接与主站相连接，同时接收PLC 的控制指令，不依靠主从关系实现同步控制[12]。两种控制方式均可在组态组网之后直接调用相关的功能模块，实现PLC 与变频器之间的通信，实现协调控制。

当系统整体没有PLC 进行控制时，则将系统中两组互为备用的变频器作为主从控制机组，主从控制机组之间采用串行通信的方式，设定相应的通信地址与对应的控制参数，当主机接收到控制指令的同时，将该指令下发给从机，实现同步控制，系统的结构如图4 所示。这种控制方式可以实现通风机两级叶轮的协调控制，且不需要增加PLC 控制器，配置简单，系统的成本较低。

图4 串行通信连接示意图

3 对旋通风机控制系统的整体设计

依据变频调速对旋通风机系统的控制方案，对通风机的整体控制系统进行升级，系统的整体配置需包括操作系统、监控系统、调速系统。操作系统指对系统进行指令下发的交互系统，主要包括操作员站及两套PLC，通过Profibus-DP 总线进行系统的通信及信号传输。为保证操作系统的稳定及安全，系统需采用冗余及容错的设计，对数据进行备份及恢复。操作站配置相应的PC 机及人机界面，对系统进行控制。

监控系统主要通过传感系统对现场的数据进行采集，传感器采集的数据经过从站汇集后通过现场总线与PLC 和上位机进行数据传输，系统端需与煤矿生产的调度网络相连接，从而实现通风机的远程控制。传感器采集的数据主要包括矿井生产主通风机的风量、风压、轴承温度、电流电压及风机的状态等，传感系统进行实时数据的采集及传输，并进行图形化的显示，保证煤矿的生产安全。

调速系统依据煤矿生产对通风机的运行要求对整个矿井的风量及风压进行调节控制。系统传动部分采用4 台变频器分两组进行主从控制，将每台变频器作为从站连接至总线，实现上位机对变频器参数的实时读取。两组变频器中的从机不直接与PLC 相连，当PLC 与主机完成通信之后，主机将接收到的指令经变频器间的通信接口传递至从机，实现两台变频器之间的协调控制，并依据系统的需求进行频率的变化，实现对旋通风机转速的调节。

4 结语

对旋通风机是煤矿生产通风广泛使用的设备，随着自动化控制的发展应用，对通风机进行自动化、节能控制是主要的发展方向，可以提高煤矿整体的自动化水平。依据变频技术研究对旋通风机的控制系统，针对通风机的调速系统及协同系统给出了变频器的控制方案，并对通风机的整体控制系统升级配置进行描述。可将其应用到矿井通风机的实际应用中，提高通风机调节的稳定性及自动化水平，并具有良好的节能效果。