變頻控制技術(shù)在煤礦主通風(fēng)機上的應用

0 引言

主通風(fēng)機是煤礦四大固定設備之一，素有“礦井肺腑之稱(chēng)”，它擔負著(zhù)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(lái)，隨著(zhù)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(dòng)化管理顯得尤為重要，因此，加強通風(fēng)管理，防止安全事故發(fā)生，提高風(fēng)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(fēng)監控系統存在以下問(wèn)題：系統過(guò)于簡(jiǎn)單、風(fēng)機耗電量大、部分關(guān)鍵參數監測精度較低、監測內容不全面、未與調度中心信息系統集成。經(jīng)過(guò)多年運行，部分設備老化，多數儀表?yè)p壞，監控系統處于半癱瘓狀態(tài)，已經(jīng)構成了嚴重的安全隱患。因此，必須對原有系統進(jìn)行全面改造，建立完善、合理的監控系統，以改變該礦落后的管理局面，提高礦井通風(fēng)設備自動(dòng)化和科學(xué)化管理水平。

1 變頻控制系統組成

為了適應礦井發(fā)展，滿(mǎn)足通風(fēng)網(wǎng)絡(luò )變化的要求，通風(fēng)機及其拖動(dòng)電機在設計選型時(shí)都有一定余量，形成“大馬拉小車(chē)”的不經(jīng)濟運行現象。煤礦主通風(fēng)機傳統的控制方式是風(fēng)機全速運行，通過(guò)調節風(fēng)葉安裝角度或風(fēng)門(mén)開(kāi)度調整所需風(fēng)量，這種運行方式能耗大，約占煤礦能耗的15%~20%左右，并且調節不方便。采用變頻調速技術(shù)，可以根據礦井生產(chǎn)需求調整電機轉速來(lái)調節風(fēng)量，既節約大量電能，又減少機械和風(fēng)的噪音。

根據《煤炭安全規程》第四百四十二條規定[2]，主通風(fēng)系統高壓兩回路10kV電源引自地面變電所不同的兩段母線(xiàn)上，通過(guò)架空線(xiàn)路接至主通風(fēng)變電所高壓室，高壓母線(xiàn)為單母線(xiàn)分段結構，兩條高壓進(jìn)線(xiàn)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(xiàn)也為單母線(xiàn)分段，設有進(jìn)線(xiàn)柜兩個(gè)、母線(xiàn)聯(lián)絡(luò )柜一個(gè)，四個(gè)變頻柜分別控制兩臺對旋風(fēng)機的四臺電機，兩個(gè)低壓配電柜為風(fēng)門(mén)絞車(chē)供電，系統控制柜一個(gè)。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(fēng)機使用，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)實(shí)現了0.3 Hz時(shí)200%以上高啟動(dòng)轉矩，保證風(fēng)機特殊情況下的正常啟動(dòng);

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

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

4)采用冷卻風(fēng)扇、平滑電容等長(cháng)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(jìn)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(zhuān)利微浪涌電壓抑制功能，即使和電機之間接線(xiàn)距離很長(cháng)，也能抑制端子電壓的變動(dòng)，保護風(fēng)機電機的絕緣;

7)一個(gè)按鈕即可實(shí)現變頻器的緊急切斷，不通過(guò)變頻器的CPU，通過(guò)硬件就可以切斷輸出，從而實(shí)現高可靠性緊急切斷，保證應急停風(fēng)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(fēng)變電所一次系統如圖1所示。

2 監控系統組成

礦井主通風(fēng)機自動(dòng)監控系統以PLC 為核心，主要由信號監測裝置、傳感(變送)器、PLC、通信裝置、上位機及其它設備組成，可分為風(fēng)機變電站監控系統和風(fēng)機風(fēng)速、負壓、振動(dòng)、風(fēng)機電機溫度監控系統，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(guò)MT5-S7300 通信電纜與PLC 連接，采用MPI 協(xié)議完成通信。觸摸屏動(dòng)態(tài)顯示系統整體運行狀態(tài)。

S7-300 通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊CP343 連接到上位工控機或礦統調系統，實(shí)現監測參數的實(shí)時(shí)顯示，并將監測參數存儲到數據庫中;同時(shí)以數據、趨勢圖及報表等多種方式實(shí)現風(fēng)機運行參數監測結果的再現。根據設定的起始時(shí)間點(diǎn)，實(shí)現分、時(shí)、日和選擇變量形式，以時(shí)間間隔和變量數據等方式查詢(xún)、打印報表，完成性能測試，自動(dòng)生成性能測試報告，通風(fēng)機性能曲線(xiàn)等。

2.1 變電站監控系統組成

變電站監控系統高壓部分采用廈門(mén)工控生產(chǎn)的微機保護單元，該單元可就地顯示相電壓、線(xiàn)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數等參數，可通過(guò)RS485

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