专利名称：一种自动调节风量的矿用通风机控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于矿用通风机控制技术，提出一种自动调节风量的矿用通风机控制系统，主要应用于矿山对大中型矿用通风机的拖动、控制和在线检测监控。
背景技术：
矿井通风系统是整个矿山关键设备之一，必须每天二十四小时连续运行，通常设置两台矿用通风机，一备一用，安全规程规定必须在十分钟内完成两套矿用通风机的切换或反风运行。随着开采及掘进的日益进展，巷道的逐渐延长，所需的通风量需不断地增加；产量的增减、生产率的变化以及采掘方法的改变，就需要调节通风量；四季的交替、节假日和检修期间、冷热的变化，风量也要经常调节；矿井通风系统通常按开采后期及反风工况所需要的最大通风量并考虑一定的裕量选择风机型号和功率，传统的做法是根据所需风量的多少，通过人工调节风门开度、风机叶片角度进行风量调节，而不是通过调节通风机的转速对风量进行调节；众所周知，通风机的输出轴功率与转速的三次方成正比，因此，传统的技术主要存在的缺点是:1)电能的浪费严重，大中型矿山的服务年限通常达数十年，投产的初期及相当长的时间内，矿井所需的通风量较小，但是，矿用通风机常处在高速运转，造成能源浪费，增加了生产成本；2)启动过程对通风机的机械部件、电动机和电网的严重冲击，传统的通风机通常采用直接启动或降压启动方法，启动电流大，对电动机的绝缘不利且容易烧毁，直接启动过程中，通风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其机械部件的使用寿命；3)自动化程度低，不能实时地满足采掘作业面合适风量的需要，采掘作业面的通风量小了不能满足要求，可能引起瓦斯突出，大了则引起粉尘的增加，影响在作业面人员的健康。近年来，变频调速在矿用通风机上得到广泛的应用，按电气特性而言，通过变频器拖动电动机，变频器输出频率从零到工作频率变化，通风机就从零速启动并在一定运行速度下稳定运行，变频器实际上只起到相当于软启动的作用，解决了启动冲击问题，虽然，能根据所需通风量手动调节变频器输出频率进行风量的调节，较传统的技术已有根本的进步，但是，目前矿用通风机控制系统通常由高低压开关柜、变频器、控制装置、检测装置等几个生产厂家分别供货，条块分割、一体化程度低，导致整个控制系统的设计不尽合理，整机设备自动化水平低、生产效率低；风量调节还是通过人工的做法，即在采掘作业面测试风压、风速、风量或凭人员的经验，通过口信相传的方式，通知矿用通风机值班人员进行手动风量调整，还无法根据采掘作业面实际通风量的需要，实时、自动地调节通风机的风量。
发明内容
本发明提出一种自动调节风量的矿用通风机控制系统，该控制系统可根据采掘作业面的风压、风速或风量情况，实时地对矿用通风机进行自动控制和在线检测，实现通风量的自动调节。本发明采取以下技术方案完成其发明目的:一种自动调节风量的矿用通风机控制系统，所述控制系统包括有变频系统、PLC系统和检测监控系统。
所述变频系统包括有:动力电源进线装置、动力电源馈电装置和变频器；为驱动矿用通风机的电动机提供频率及电压可变的交流动力电源，电动机的定子绕组接到变频器的输出端，变频器的输入端与动力电源馈电装置的输出端相连，动力电源馈电装置的输入端与动力电源进线柜的输出端相连，动力电源进线柜的输入端与动力电网相连。所述PLC系统包括有:控制电源进线装置、控制电源馈电装置和PLC装置；PLC装置的电源输入端与控制电源馈电装置的输出端相连，控制电源馈电装置的输入端与控制电源进线装置的输出端相连，控制电源进线装置的输入端连接到控制电源的电网上。所述检测监控系统包括有:操作台、显示屏和安装于通风机处的风压、振动、温度等传感器及安装于采掘作业面井巷中的风压、风速或风量等传感器；操作台内置PLC远程I/O接口模块，并装有开关、按钮和电位计等控制器件，这些器件与PLC远程I/O接口模块相连，用于在手动方式下控制矿用通风机的启、停，同时，用于矿用通风机状态检测的风压、振动和温度传感器以及在采掘作业面用于采集巷道风压、风速或风量传感器也与PLC远程I/O接口模块相连，所述操作台上装有信号灯和显示仪表，用于显示矿用通风机的运行状态和重要参量，显示屏为计算机或工控机，通过网络通讯的方式，与PLC、变频器进行信息交换，在显示屏上可以观察到关键参量和重要信号情况如驱动矿用通风机所用电动机的功率、功率因数、电压、电流、频率、定子绕组温度和矿用通风机的轴承温度、水平和垂直振动幅值，采掘作业面巷道中风的静压、动压、速度和流量等，显示屏以数据、曲线、表格等形式完成对矿用通风机整个运行过程的关键参量和重要信号情况的实时显示、实时记录等，显示屏内置通讯网卡或在PLC装置中设置网络交换机，并与PLC、变频器以及矿山局域网形成网络通讯，对所述矿用通风机及其控制系统进行远程诊断和远程控制，实现矿用通风机的自动化运行。矿井通风系统设有两台同等功率的通风机，一台工作，一台备用，并且要在短时间内完成工作风机和备用风机的切换，为了达到这个目的，本发明所述的一种自动调节风量的矿用通风机控制系统在调速、控制和检测环节配置了相对独立的两套硬件和软件设施以达到对两台矿用通风机的控制和闭锁，确保两台通风机在正常的工作方式下不能同时处于工作状态，并能在短时间内完成工作与备用间的相互切换，具体采取了以下措施:
I)在变频系统中，变频器对电动机有“一拖一”和“一拖二”两种拖动方式，确保分别控制两台矿用通风机的两套变频器具有相对独立性，实现工作和备用间的可靠、快速切换；“一拖一”方式:一台变频器仅拖动一台电动机，这样，对于仅由一台电动机驱动的离心式矿用通风机，系统共设置了两台变频器，对于由两台电动机共同驱动的对旋式轴流通风机，系统共设置了四台变频器；“一拖二”方式:一台变频器同时拖动同一台对旋式轴流通风机中的两台电动机，这样，系统共设置了两台变频器，“一拖二”方式只适用于对旋式轴流通风机。2)在PLC系统中，共设置两套相同配置的PLC，分别对两台矿用通风机进行控制，这两套PLC从硬件到软件配置相同并且相对独立。3)在检测监控系统的操作台中，设置两套相同配置的元器件并按左右对称布置，包括:PLC远程I/O接口模块、开关、按钮和电位计等控制器件以及信号灯和显示仪表；用于在线检测两台矿用通风机工作状态的风压、振动和温度等传感器与相对应的PLC远程I/O接口模块相连，同时保持工作时相对独立性，两套PLC都设置有用于专门接收来自采掘作业面传感器信号的远程I/o接口模块。本发明所述的一种矿用通风机控制系统为了达到自动调节风量的目的，采取了以下措施:
1)针对矿用通风机所覆盖的采掘作业面，在巷道中合适的位置安装能够真实反映采掘作业面通风情况的风压、风速或风量传感器，这些传感器以电流信号形式与专用的PLC远程I/O接口模块相连；
2)对于那些已装有对包括采掘作业面在内通风情况检测系统的矿山，反映采掘作业面通风情况的风压、风速或风量等参数通常会传输给矿山局域网络，那么，所需采掘作业面通风情况的信号可以通过网络通讯形式从矿山局域网络中获得；
3)PLC系统中设置有闭环控制环节，从采掘作业面采集到的风压、风速或风量信号作为闭环的反馈信号，根据风压、风速或风量的设定值与实际采样值之间的差值，通过控制变频器输出频率，自动调节矿用通风机的通风量。本发明所述的一种自动调节风量的矿用通风机控制系统，能够满足各种大中型矿用通风机控制和在线检测的需要。相较于现有公知技术，本发明所述的一种自动调节风量的矿用通风机控制系统可以根据采掘作业面的实际通风情况对矿用通风机的通风量进行自动调节，更好地满足实际通风的需要，自动化水平高，实时性强，降低矿用通风机的故障率并提高其使用寿命，节省了使用费用，提高安全生产能力，并且，节能降耗符合国家产业政策，具有明显的社会和经济效益。
图1、图2和图3为本发明的原理框图，图1为本发明针对离心式通风机的控制系统，图2为本发明针对对旋式轴流通风机的控制系统之一，拖动方式为“一拖一”，图3为本发明针对对旋式轴流通风机的控制系统之二，拖动方式为“一拖二”。图中，1.动力电源进线装置，2.动力电源馈电装置，3.控制电源进线装置，4.控制电源馈电装置，5.变频器I，6.变频器II，7.PLC装置I，8.PLC装置II，9.操作台，10.显示屏，11.电动机I，12.电动机II，13.矿用通风机I，14.矿用通风机II，15.传感器I，16.传感器II，17.传感器III。
具体实施例方式结合附图对本发明实施例加以说明:
在图中，本发明提出的一种自动调节风量的矿用通风机控制系统，包括有变频系统、PLC系统、检测监控系统；变频系统包括有:动力电源进线装置1、动力电源馈电装置2、变频器I 5、变频器II 6，为驱动矿用通风机I 13、矿用通风机II 14的电动机I 11、电动机II 12提供频率及电压可变的交流动力电源，电动机I 11和电动机II 12的定子绕组分别接到变频器I 5和变频器II 6的输出端，变频器I 5和变频器II 6的输入端分别与动力电源馈电装置2的相应输出端相连，动力电源馈电装置2的输入端与动力电源进线柜I的输出端相连，动力电源进线柜I的输入端与动力电网相连；PLC系统包括有:控制电源进线装置3、控制电源馈电装置4和PLC装置I 7、PLC装置II 8，PLC装置I 7、PLC装置II 8的电源输入端分别与控制电源馈电装置4的相应输出端相连，控制电源馈电装置4的输入端与控制电源进线装置3的输出端相连，控制电源进线装置3的输入端连接到控制电源的电网上；检测监控系统主要包括:操作台9、显示屏10、安装在矿用通风机I 13处的传感器I 15 (风压、振动和温度等传感器)、安装在通风机II 14处的传感器II 16及安装在采掘作业面井巷中的传感器III 17 (风压、风速或风量等)；操作台9内置PLC远程I/O接口模块，并装有开关、按钮和电位计等控制器件，这些器件与PLC远程I/O接口模块相连，用于在手动方式下控制矿用通风机的启、停，同时，安装在通风机处的风压、振动和温度等传感器I 15、传感器II 16及安装在采掘作业面井巷中的风压、风速或风量等传感器III 17以电流形式与PLC远程I/o接口模块相连，操作台9上装有信号灯和显示仪表，用于显示矿用通风机的运行状态和重要参量，显示屏10为计算机或工控机，通过网络通讯的方式，与PLC、变频器进行信息交换，在显示屏上可以观察到关键参量和重要信号情况如电动机I 11和电动机II 12的功率、功率因数、电压、电流、频率、定子绕组的温度，矿用通风机I 13和矿用通风机II 14的轴承温度、水平和垂直振动幅值，采掘作业面巷道中风的静压、动压、速度和流量等，显示屏10以数据、曲线、表格等形式完成对矿用通风机I 13、矿用通风机II 14整个运行过程的关键参量和重要信号情况的实时显示、实时记录等，显示屏10内置通讯网卡或在PLC装置中设置网络交换机，并与PLC、变频器和矿山局域网形成网络通讯，实现对所述矿用通风机及其控制系统进行远程诊断和远程控制，实现矿用通风机的自动化运行，对于那些已装有包括采掘作业面在内通风情况检测系统的矿山，所需采掘作业面通风情况的信号可以通过矿山局域网络中获得，不必在采掘作业面重复安装传感器；PLC装置I 7和PLC装置II 8中设置有闭环控制环节，将采集到有关采掘作业面的风压、风速或风量信号作为闭环的反馈信号，根据风压、风速或风量的设定值与实际采样值之间的差值，控制变频器I 5或变频器II 6的输出频率，自动调节矿用通风机I 13或矿用通风机II 14的通风量。图1为本发明针对尚心式通风机的控制系统，在图1中，变频器I 5拖动电动机
I11并为矿用通风机I 13提供动力，变频器II 6拖动电动机II 12并为矿用通风机II 14提供动力，形成“一拖一”的拖动方式；该实施例中，矿用通风机I 13、矿用通风机II 14为离心式通风机；PLC装置I 7和PLC装置II 8分别对变频器I 5和变频器II 6进行控制，传感器I 15和传感器II 16 (风压、振动和温度等传感器)分别对矿用通风机I 13、矿用通风机
II14的工作状态进行在线检测，针对两台矿用通风机，控制系统在变频器、控制、检测及操作等环节设置有相对独立性设施，确保在短时间内完成两台矿用通风机之间从工作到备用状态的相互切换；要让通风机处于备用状态，在通风机停止运行后，将动力电源馈电装置2中相应供电回路的开关关闭即可，要让通风机处于工作状态，在通风机启动运行之前，将动力电源馈电装置2中相应供电回路的开关合上即可，本发明的控制系统对两路独立的供电回路进行联锁，确保两台通风机在正常的工作状态下不能同时处于工作状态并方便工作与备用间的相互切换。图2为本发明针对对旋式轴流通风机的控制系统之一，在图2中，一台对旋式轴流通风机由两台电动机驱动，每台变频器拖动一台电动机，形成“一拖一”的拖动方式，与图1不同在于，两台变频器分别对应拖动两台电动机，而两台电动机共同驱动一台对旋式轴流通风机，同理，另两台变频器分别拖动对应的两台电动机，由两台电动机共同驱动另一台对旋式轴流通风机；两台变频器之间、另外两台变频器之间采用主、从控制方式，设置其中一台变频器为主机，另外一台变频器为从机，主机中设置有速度和电流闭环控制，从机跟随主机的频率和电流变化并具有电流闭环功能，这样，在两台电动机共同驱动一台对旋式轴流通风机的情况下，PLC只要对作为主机的变频器进行输出频率控制，就能达到对对旋式轴流通风机进行调速以达到调节通风量的目的。图3是本发明针对对旋式轴流通风机的控制系统之二，在图3中，每台变频器同时拖动同一台对旋式轴流通风机中的两台电动机，形成“一拖二”的拖动方式，与图2不同在于，一台变频器同时拖动两台电动机，两台电动机共同驱动一台对旋式轴流通风机，同理，另外一台变频器同时拖动另外两台电动机，另外两台电动机共同驱动另外一台对旋式轴流通风机；在本实施例中，两台电动机的定子绕组并接在一起与变频器的输出端相连，另外两台电动机的定子绕组并接在一起与另外一台变频器的输出端相连，每两台电动机定子并接时应注意相序，确保对旋式轴流通风机中叶轮所产生的风向一致。以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。
权利要求
1.一种自动调节风量的矿用通风机控制系统，其特征在于:所述控制系统包括有变频系统、PLC系统和检测监控系统；所述变频系统包括有:动力电源进线装置(I)、动力电源馈电装置(2)和变频器；为驱动矿用通风机I (13)、矿用通风机II (14)的电动机I (11)、电动机II (12)提供频率及电压可变的交流动力电源；所述PLC系统包括有:控制电源进线装置(3)、控制电源馈电装置(4)和PLC装置I Cl)、PLC装置II (8);所述检测监控系统包括有:操作台(9)、显示屏(10)、安装在矿用通风机I处的传感器I (15)、安装在矿用通风机II处的传感器II (16)及安装在采掘作业面井巷中的传感器111(17);操作台(9)内置PLC远程I/O接口模块，并装有开关、按钮和电位计控制器件，这些器件用于在手动方式下控制矿用通风机的启、停；同时，操作台(9)上装有信号灯和显示仪表，用于显示矿用通风机I (13)、矿用通风机II (14)的运行状态和重要参量，显示屏(10)为计算机或工控机，通过网络通讯的方式，与PLC、变频器进行信息交换，在显示屏上可以观察到关键参量和重要信号情况如电动机I (11)、电动机II (12)的功率、功率因数、电压、电流、频率、定子绕组的温度，矿用通风机I (13)、矿用通风机II (14)的轴承温度、水平和垂直振动幅值，采掘作业面巷道中风的静压、动压、速度和流量；显示屏(10)以数据、曲线和表格形式完成对矿用通风机整个运行过程的关键参量和重要信号情况的实时显示、实时记录，显示屏(10)内置通讯网卡或在PLC装置中设置网络交换机，并与PLC、变频器和矿山局域网形成网络通讯，实现对矿用通风机及其控制系统进行远程诊断和远程控制，实现矿用通风机的自动化运行。
2.根据权利要求1所述的一种自动调节风量的矿用通风机控制系统，其特征在于:获得通风机所覆盖的采掘作业面有关风压、风速或风量的方式有两种，其一是，在巷道中合适的场所安装能够真实反映采掘作业面通风情况的风压、风速或风量传感器，直接从这些传感器中以电流形式采样相关信号，其二是，通过网络通讯方式，所需采掘作业面通风情况的信号可以通过矿山局域网络间接获得；PLC装置中设置有闭环控制环节，将采样到采掘作业面的风压、风速或风量信号作为闭环反馈信号，根据风压、风速或风量设定值与实际采样值之间的差值，控制变频器的输出频率，对矿用通风机通风量进行自动调节。
3.根据权利要求1所述的一种自动调节风量的矿用通风机控制系统，其特征在于:对应矿用通风机I (13)、矿用通风机II (14)，在调速、控制、检测及操作环节中设置两套硬件设施并具相对独立 性，方便两台矿用通风机之间从工作到备用状态的相互切换；要让矿用通风机处于备用状态，只要在通风机停止运行后，将动力电源馈电装置中相应供电回路的开关关闭即可，要让矿用通风机处于工作状态，在通风机启动运行之前，将动力电源馈电装置中相应供电回路的开关合上即可；所述控制系统对两路独立的供电回路进行联锁，确保两台通风机在正常的工作状态下不能同时处于工作状态并方便工作与备用间的相互切换。
4.根据权利要求1所述的一种自动调节风量的矿用通风机控制系统，其特征在于:分别对矿用通风机I (13)、矿用通风机II (14)的工作状态进行在线检测的所述传感器I(15)、传感器II (16)与相应PLC的远程I/O模块相连。
5.根据权利要求1所述的一种自动调节风量的矿用通风机控制系统，其特征在于:所述变频器与电动机之间具有“一拖一”和“一拖二”两种拖动方式，“一拖一”拖动方式:一台变频器拖动一台电动机，针对同一台对旋式轴流通风机具有两台电动机的情况，两台变频器之间采用主、从控制方式，设置其中一台变频器为主机，另一台变频器为从机，主机中设置有速度和电流闭环控制，从机跟随主机的频率和电流变化并具有电流闭环功能，这样，在两台电动机共同驱动一台对旋式轴流通风机的情况下, PLC只要对作为主机的变频器进行输出频率控制，就能达到对对旋式轴流通风机进行调速以达到调节通风量的目的；“一拖二”拖动方式:一台变频器同时拖动两台电动机，由两台电动机驱动同一台对旋式轴流通风机。
全文摘要
本发明提出一种自动调节风量的矿用通风机控制系统，包括有变频系统、PLC系统、检测监控系统；变频系统含动力电源进线装置、动力电源馈电装置、变频器，PLC系统含控制电源进线装置、控制电源馈电装置和PLC装置，检测监控系统含操作台、显示屏和风压、振动和温度等各种传感器；PLC装置中设有闭环控制环节，将从传感器或矿山局域网采集到采掘作业面的通风情况信号作为闭环的反馈信号，根据设定值与实际采样值之间的差值，控制变频器的输出频率，自动调节矿用通风机的通风量；在调速、控制、检测及操作环节设置具有相对独立性的两套设施分别对两台矿用通风机进行控制和在线检测，使两台矿用通风机从工作到备用间的相互切换在短时内即可完成。
文档编号E21F1/00GK103148007SQ20121048989
公开日2013年6月12日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者郑孝平, 焦潞平 申请人:洛阳源创电气有限公司, 山西潞安集团余吾煤业有限责任公司