王志豪
中国平煤神马集团八矿机电十队河南平顶山467012
摘要：对矿井主通风机系统中电路主回路高压变频控制与工频控制相互切换的应用进行了研究与设计。设计的系统具有灵活的控制方式，即：本地控制、远程I/O控制、上位机控制以及以太网无人值守的WEB远程监控相结合。系统采用可编程控制器作为逻辑控制核心，可以实现对风机运行过程中通过各种传感器获得的数据进行采集、处理，从而实现风机系统的优化控制。
关键词：主通风机；高压变频；远程控制
1引言
在煤矿生产中，通风机担负着向井下输送新鲜空气，排放粉尘和各种有毒气体的重任，它的运行状况直接影响着矿井的安全生产。矿用通风机需要长时间不间断地运转，一旦停风就有可能引起瓦斯浓度升高甚至引起爆炸，威胁井下工作人员的生命安全，且随着全社会环保节能意识的增强，研制安全、可靠、高效、节能的通风机控制系统对于保障煤矿的安全生产是非常必要的。
2主通风机高压变频控制系统
2.1采用高压变频器启动的优势
主通风机作为煤矿通风系统的重要设备，通常采用直接启动、降压启动或采用变频调速技术的交流电机软启动三种方式。第一种直接启动方式启动时间长、启动电流大，对电缆、电动机的绝缘造成很大的损害，严重时甚至烧毁电动机；第二种降压启动方式会对电网的影响较大而且在启动过程中所产生的机械冲击现象使风机产生较大的机械应力，会严重影响电动机、风机及其它机械的使用寿命；然而采用第三种高压变频器调速启动方式则实现了通风机的软启动和软停车，优势在于通过电流矢量控制，电机平稳起动和停机，避免了对设备及电网的冲击，改善了运转部位润滑条件，减少了启动功耗及故障频率，延长了风机及电机的使用年限。
2.2风机高压变频运行节能原理
采用高压变频器调速控制是利用高压变频器对风机进行调速从而调节风量（风压）大小，不仅代替了传统的调节风机叶片角度增加风阻的控制方式，而且可以节约大量的能耗，使得系统的运行性能显著提高。高压变频控制转速调节风量曲线图如图1所示。曲线1为风机在恒定转速N1下的风压-风量（H-Q）特性，曲线2为管网风阻特性（风门全开）；曲线3为风量从Q1减至Q2过程中管网的风阻特性；曲线4为采用变频器调速风机转速由N1降到N2时的（H-Q）特性。
图1中，工况A点风机效率最高，此时风压为H2，风量为Q1，轴功率N1=H2×Q1。根据生产工况需要，风量需要从Q1降到Q2，有两种方法可以实现：第一种方法是采用传统的调节风机叶片角度增加管网阻力特性变到曲线（3）此时的新工况点变为B点，轴功率N2=H1×Q2。第二种方法是采用高压变频器调速控制方式来实现，同样风量Q2情况下特性变到曲线（4）此时工况点在C点，轴功率N3=H3×Q3。图上我们看出节省功率N=（H1-H3）×Q2，节能十分明显。
图1高压变频控制转速调节风量曲线图
2.3最佳控制方式的确定
通过经济成本与技术分析，由于2个电机的参数一样，可以由1台1000kW的高压变频器控制2台电机，即：高压变频器“一拖二”运行方式。使得整个工程造价降低，成本比“一拖一”运行方式要降低一半以上，设备使用率得到了提高。最终确定最佳通风机变频调速方式为“一拖二”运行方式。开环定速运行，风量风压控制在满足矿井的通风需要，这样做大大降低了能耗又减少维修工作量。因此，研制高压变频调速装置，使风机降速运行，同时调整叶片角度在最高效的0°角区域，既满足风量要求，又提效节能。工作原理如下：如图所示整个系统由3个高压隔离开关（QS1、QS2、QS3）和5个高压真空接触器（KM1、KM2、KM3、KM4、KM5）构成旁路部分。通过高压真空接触器来完成运行方式的切换；而高电压的安全保护则通过隔离开关来实现。当电机由高压变频器调速控制运行情况下，QS1、QS2、QS3处于常闭状态，KM1、KM2、KM4闭合，KM3、KM5断开；当高压变频器出现故障，需要将电动机切换到工频方式运行时。首先，需要人工断开隔离开关对高压进行隔离，然后将KM1、KM2、KM4断开，KM3、KM5闭合；当维护完成后，闭合高压隔离开关，通过闭合高压真空接触器再次将电机切换至高压变频器来调速运行。KM2与KM3，KM4与KM5，均严格互锁。
图2高压变频器“一拖二”方式电气主回路原理图
2.4节能效果分析
我们可以根据现场运行参数统计来分析高压变频调速运行的节能效果[5]。
通风机的满负荷运行状态在50Hz频率，这种状态下年耗电量为：
W1=P1×T=2×686.74×24×365=11735013.12kWh经过现场测量主通风机通过高压变频器调速控制，长时间运行在40Hz频率状态下耗电量为：W2=P2×T=2×496.59×24×365=8700256.8kWh。计算出高压变频运行状态下年节电量：W=
W1-W2=11735013.12-8700256.8=3034756.4kWh按照矿山工业用电标准0.52元/kWh计算，每年可节约电费0.52元/kWh×3034756.4kWh=157.8万元按节电率计算δ：=（W1-W2）/W=△W/W1=3034756.4/11735013.12=25.86％。通过上述计算可以看出，主通风机采用高压变频器运行时，节电率可达到27.7%不仅提高了电网的供电质量、输电效率并且减少了电费支出。
3主通风机远程监控系统
3.1监控系统的选型与设计
矿井主通风机系统不能只考虑其本身，而应作为一个完整的煤矿安全保障系统去考虑。通风系统还应和整个矿井安全监控系统进行联网通讯，能够实时将监测结果传输到调度室或总工室，并接受执行从调度室或总工室传来的指令使其达到智能化控制水平。监控系统的逻辑控制核心硬件采用德国西门子S7-300系列可编程控制器，CPU采用CPU315-2DP，CP343-1（CP343-1/CP443-1），系统软件采用STEP7V5.3，SIMATICNET6.3，WinCCV5.0其Profinet接口易于以太网组态，并完全按GB/T17626电磁兼容性标准要求进行设计和生产[8]。矿井主通风机在线监控系统作为整个企业信息化网络的一部分，还可建成一个网站进行网页浏览器（WEB）发布，实现风机房及相应现场部门的无人值守管理。本系统不仅逻辑编程简单、安全保护可靠、状态显示齐全，而且还具备了故障检测、故障报警、安全保护等功能。
3.2传感器及其附件
振动传感器、风速传感器、负压传感器、风门开停传感器、温度传感器、瓦斯浓度传感器等检测器件通过风机自动控制柜中的可编程控制器来完成风机运行过程中的各种数据的计算和检测，进一步来完成系统对风机各个环节的控制。主要检测数据包括：（1）风机主要性能参数及故障报警（风量检测、振动测量、轴承温度、负压测量、瓦斯浓度）；（2）风机电机的运行状态（电机电压、电机电流、电机转速、电机功率、电机温度）。
3.3综合自动化管控组件
监控系统必须支持OPC和DDE接口，可以和采用OPC或DDE标准的设备通讯。监控组态软件所提供的OPC服务是一个组件式结构，通过对它的灵活配置，加上管控组件不同的组合，可以将实时的数据通过OPC服务接口进行读取，并将关系数据库包装成一个OPCSERVER，通过该程序，第三方的程序可以通过OPC方式采集关系数据库的数据，在以上适合OPC方式的数据转换过程中，也同样适合DDE方式。OPCClient在客户终端上（综合自动化集控中心），Client端不需要特殊的驱动程序支持软件。只要您的客户端工作站已经连接到了局域网上，在Client端输入OPC服务器的网络IP地址，就可以开始实时地采集现场生产过程数据。
3.4现场数据的监控与组态仿真设计
系统中心站工控机安装监控组态软件（Wincc）将现场各控制设备的运行数据采集到风机系统中心工作站，以实现实时数据显示、动画、历史趋式、实时趋式等组态仿真功能。监控组态软件中的数据库（ODBC）是一个高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性强、跨网络系统的开放式实时数据库软件。监控组态软件中的数据库ODBC可以实现如下功能：数据分析、分布式实时数据库映射、分布式事件查询、实时报警、毫秒级的历史数据库、OPCServer/OPCClient标准接口、万能报表、与oracle及access等数据库的接口、基于Web的企业解决方案、与系统中其它组态软件集成。
4结语
随着工业自动化水平的不断提高，通风机控制从简单的非变速风量调节控制向智能控制方向发展。经过对比发现高压变频调速控制方式不仅可以淘汰落后的手工调整风叶角度改变风量的做法从而提高了生产效率而且可以做到“一拖二”控制方式提升了系统的可靠性并达到了节能降耗目的给煤矿带来了客观的经济效益。而后，探讨了基于高压变频器运行状态下采用可编程控制器与上位机相结合为核心的煤矿主扇风机监控系统。该系统可以实现对通风机性能参数、工况参数的在线实时监测和对于风机的远程控制。可以根据用户需要绘制出通风机的性能曲线和打印数据报表，方便用户管理。文中给出了系统的总体设计情况，并详细的介绍了高压变频器、传感器、PLC的选型、以及PLC软件的设计和上位WinCC组态软件设计过程。监测系统界面友好、操作方便、功能齐全，既实现了对现场数据的实时监测、控制，又提高了矿井现代化管理水平，对于同类系统的设计具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]李忠辉，魏连江，李玟栋.VentGIS系统在矿井通风系统优化中的应用[J].煤矿安全，2013，4，4（06）：123-125.
[2]李奇.MVSS3.0通风仿真软件的可靠性及应用研究[J].中州煤炭，2012（12）：28-30.