关键词：高压变频器;主通风机;升级改造;远程监控 

1引言

主通风机是煤矿设备主要的四大件之一，由于其功率一般较大并且必须常年运行，一般采用无调速装置，长期处于恒速运转，因此既浪费了风量，又增加了电能消耗。某煤矿目前已经建有的通风系统，由于系统使用年限已久，存在诸多隐患和问题，现根据现场实际运行状态进行变频改造，并增加压力、流量、温度、振动等传感器，实现通风系统的在线监控和诊断。

2项目背景

某煤矿主通风机房现使用2台沈阳通风机厂生产的2k56-1No.24型通风机（450KW/6KV），供电系统由无锡军工设计生产，高压柜配置上海南自智能综合保护器，电机启动方式为全压直接启动。原来监控系统是由某个自动化公司设计、生产和调试的；由于使用年限长，存在了很多隐患和问题，矿井开拓延伸，供风能力已不能满足矿井用风要求，更换成了2台2*710KW对旋风机，并安装北京合康高压变频器对其进行调速。

由于是旧设备改造，现场设备的安装及布线比较困难，且施工周期长、施工困难多。调度人员在满足生产要求的前提下，逐台停运改造设备，施工人员在停电设备上安装温度测量装置。尽力做到一次更换成功，将停电时间和影响生产的时间减到最小。除了需要对原风机控制主接线进行改造，还需要将变频器二次回路及控制接入现场控制设备，并增加控制模块和传感器对风机工况进行监控。这样可以保留原有风机控制系统，并实现风机工频和变频的切换运行。

3变频运行改造

3.1变频器选择以及特性 

根据风机电机的容量，选用北京合康高压变频器产品HIVERT-Y06/085，额定输出电流为85A，驱动710kW异步电动机。这一变频器具有精度高、响应快、变频效率高、维护方便等特点。变频器输出电压具备自动电压调整的稳压功能，防止过高电压对电机绝缘损坏，降低电机的空载损耗。此外，变频器无需单独安装输入滤波器，节省了谐波治理费用；系统功率因数高，无需功率因数补偿装置，可有效减少无功输入，降低输入容量，减少矿山电网增容费用。主要技术参数如下所示。

3.2安装方式

变频器采用底部进出线方式，从正面看，高压进线孔位于变压器柜后部居中的位置，高压出线及二次进出线电缆孔位于单元柜后部居左的位置。变频器安装在电缆沟上，如图1所示。  

                                                                                 图1高压变频器安装图（侧面）

变频器安装在16#槽钢焊接的底座上，通过点焊方式将其固定在安装槽钢上，槽钢需可靠接地，接地电阻不得大于4Ω。变频器在正面操作，二次接线室在背面。为了保证操作、维护的方便性和通风散热效果，变频器正面距墙距离不小于1.5米，背面和顶部距墙距离不小于1米。

3.3一次回路及保护
     一次回路改造增加高压变频器一台，自动切换柜四面2#、3#、4#、5#，内含真空接触器和刀闸，1#高压电源柜采用真空断路器和微机保护。保留原有的电源切换柜DL11、DL21、DL31、DL41。改造后的一次回路主接线如下图所示。

                                                                                  图2一次回路主接线图

根据改造完的一次回路，需要做如下要求。

1、四面切换柜DL12、DL22和DL32、DL42电气互锁，不能同时合闸；

2、切换柜DL12和电源柜DL11电气互锁；切换柜DL22和电源柜DL21电气互锁；切换柜DL32和电源柜DL31电气互锁；切换柜DL42和电源柜DL41电气互锁；不能同时合闸；

因此，通风系统的风机运行方式主要有以下几种方式。

1、变频器运行1#风机：DL1闭合，DL12、DL22闭合，DL11、DL21断开，DL32、DL42断开。

2、变频器运行2#风机：DL1闭合，DL12、DL22断开，DL31、DL41断开，DL32、DL42闭合。

3、工频运行1#风机：DL12、DL22断开，DL11、DL21闭合受原系统控制。

4、工频运行2#风机：DL32、DL42断开，DL31、DL41闭合受原系统控制。

3.4 二次回路及控制

控制器由光纤板，信号板，主控板，接口板和监视器组成，各部分之间的连接如下图3所示。控制系统与功率单元之间采用光纤通信，实现了强弱电之间的光电隔离。

                                                                                图3二次回路接线图

HIVERT变频器有三种控制方式，主要为本地控制、远程控制、上位机控制。可以从变频器操作界面控制电机的启动和停机，完成变频器的所有控制；也可以通过内置接口板接受来自现场的开关量控制；还可通过RS485接口，采用MODBUS通讯协议，接收上位机系统的控制。此外，变频器有多种速度设置方式。既可通过操作屏设置运行频率；也可接收其他控制系统4-20mA模拟信号来控制频率或被控量给定值；还可通过通讯方式接收来自上位机系统的运行频率给定值；其多档设置模式，通过开关量设置多档运行速度给定值。

根据煤矿风机可靠性较高的实际运行要求，选择三档位切换开关即本地、集中、远程。本地操作方式即通过变频器的操作面板进行控制；集中控制即通过风机监控系统的模拟量，根据设定的通风量自动控制运行频率；远程控制即可以通过监控中心上位机的Modbus通讯总线来控制风机频率。

4监控系统改造设计

4.1系统结构 

针对上面的变频器改造后，上位机监控软件采用InTouch，控制层以原有西门子315-2DP PLC和HMI为核心，主要由信号测取装置和传感器、上位机及通讯装置、其他设备组成，结构原理框图如图4。

                                                                                    图4监测系统结构图

改造系统采用模块化设计方案，各部分相对独立，保留原有的控制功能，增加模拟量输出模块控制变频器的输出频率。整个系统采集通风流量、压力、风机轴的振动、温度信号以及风门的位置信号。通风流量通过多参数进行监测，可靠性好，精度高。

4.2系统功能

该系统现场控制层采用原西门子300PLC，集中控制外围设备，通过组态软件和现场层进行通讯，完成数据的采集、分析等工作，以图表等多种形式显示在监控中心显示器上。通风机的性能参数主要有流量、全（静）压、轴功率等。配套电机的主要参数有电流、电压、功率等。为了达到主通风机性能在线监测的目的，应实时在线监测以下主要参数：平均流速、矿井负压、风机入口静压、电机有功功率、电流、电压等。根据以上参数可求得风机的各项性能指标，再根据相似原理换算至规定状态下即可绘制通风机的性能曲线。主要功能如下。

1、控制功能：风机的启动、停止、反风、风门启闭控制等控制功能；具备就地控制/就地集中控制/上位机控制三种工作方式，就地方式(检修方式)时各设备由设备本身的控制按钮操作，便于设备的检修；就地集中方式由平板电脑柜完成风机及辅助设备的协调控制；上位机控制方式时可在工控机上完成对风机的远程控制。此外，可对变频器进行三种方式（就地、集中、上位机）的实时控制，整个控制按照一次回路的互锁条件来完成。

2、监测功能：实时监测风机的性能参数，例如矿井负压、动压、流量、风机进口瓦斯浓度等。实时监测风机配用电机的电气参数：电流、电压、功率。实时监测设备的状态参数，如振动烈度、定子及轴承温度。实时监测风门位置。

3、变频器监测功能：对变频器进行实时进行模拟量、开关量的数据采集。变频器了提供标准模拟量、开关量接口以及Modbus-RTU通讯接口。

4、信息处理功能：上位机界面简单直观、形象，操作简单、易懂。具有丰富的工况画面，界面友好，图表功能强大，操作快捷方便。实时或历史数据的趋势图、曲线图、存储、查询、打印。对通风机运行故障（温度、振动等）在线报警（声光报警）及保护；显示当前运行机号、正反转信号，风机开停状态；累计当前风机运行时间等信息。系统主要界面如下图所示。

                                                                                 图5运行系统界面

5结束语

煤矿主通风机是保证煤矿安全生产的关键设备之一，它的安全可靠运行，对煤矿整个生产过程具有重要意义。通过对某个煤矿的主通风机的变频器改造工作，经过一段时间的运行，节能效果显著，减少了企业对风机设备的维护量，运行更加安全、稳定。但仍然有不足之处，系统仅根据一些信号的判断进行故障提示和报警，仍需要对风机的综合故障诊断进行下一步的研究。