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 一、矿用对旋轴流通风机的变频改造的必要性

    长期以来，煤矿由于受复杂的生产条件和环境影响，在矿用设备选型上都采用功率比较大的型号，电机全速运行，大马拉小车现象非常普遍，耗能十分严重。如何以技术进步和技术创新为先导，降低企业的生产成本，提高劳动生产率是煤炭生产企业需要解决的迫切课题。

    煤矿主通风机是煤矿的四大主要设备之一，作为矿井主通风，它每天24小时不停地运转，是整个矿井的“呼吸”系统。然而随着开采及掘进的不断延伸，巷道延长，所需的风量也将不断增加，风机所用功率也将加大。四季的交替，冷热的变化，所需的风量也需不断调节。但煤矿原根据反风及开采后期运行工况所设计的通风机及拖动的电动机的功率，通常远大于煤矿正常生产所需的运行功率。

    矿井一般按开采各阶段中通风*困难时期选择风机型号。一般矿山选型时，按实际通风参数配备电机功率，计算方法如下：

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    K－功率贮备系数，一般取K＝1.1～1.15。

    传统的调节系统，是根据风量所需的多少，靠调节风门、叶片角度来实现的。从通风机选型的过程和煤炭生产的实际情况，通风机恒速运行存在以下几个问题:

    1．电能的严重浪费

    大型煤矿的服务年限大多在几十年以上，投产初期到井田稳定开采一般在十年以上，但是一般主扇风机设计上余量特别大，在相当长的时间主扇风机一直处在较轻负载下运行。由于煤矿主扇风机一般采用档板调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本。

    2、启动困难，机械损伤严重

    主扇风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。

    3、自动化程度低

    主扇风机依靠人工调节档板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风流短路，将对矿井正常生产造成严重影响。

    变频调速器作为一种新型的电力变换装置，已成熟地应用到工业生产的各个方面，不但启动容易，节能效果显著，而且对电机保护功能齐全。因此，为保证矿井生产的安全，降低生产成本，提高自动化程度，对矿井通风机的变频改造就成为势在必行的工程了。

    二、对旋轴流通风机的特点

    两级的轴流通风机中，有一种很好的设计方案。它是将一个叶轮装在另一个叶轮的后面，而叶轮的转向彼此相反，称为对旋型轴流通风机，或对置式轴流风机。

    煤矿对旋风机因其主要由该通风机采用两级叶轮对旋式结构，两级叶轮分别由容量及相同型号电动机驱动，两个叶轮旋转方向相反，从进风口看，第一级叶轮顺时针方向旋转，第二级叶轮则逆时针方向旋转。当空气流入第一级叶轮获得能量后并经第二级叶轮排出，第二级叶轮兼备普通轴流风机中静叶的功能，在获得整直圆周方向速度风量同时，增加气流的能量，从而达到普通轴流式通风机不能达到的高效率，高风压。

    它与普通轴流风机相比有以下几个优点

    1)可以省略导叶，因而具有较短的结构尺寸。

    2)传动效率高。叶轮直接安装在电机轴上，改变了传统的传动结构，既避免了传动装置的频繁损坏，消除了能量损耗，也提高了风机装置的传动效率，同时也提高了使用效率。对旋轴流式通风机因为没有静叶,不存在静叶损失,因此,其效率比普通通风机要高；

    3)对旋轴流式通风机具有较大的逆向送风量,其一般可达70%～80%,而普通通风机的逆向送风量仅为30%～40%；

    4)轴流对旋风机使用灵活。对旋风机两级工作轮分别由两台电机驱动，因而对旋风机对应不同的使用状态，可进行各式各样的组合，使其中一级空转可组成前导加动叶级或动叶加后导叶级，亦可配备一个静叶作为附件，可以调节栅距以实现变风量调节。对旋风机可变转速和两转子的转速比来调节流量，这是对旋风机所特有的。

    三、矿用对旋轴流通风机的变频改造的案例

    煤矿主通风机在煤矿的安全生产中起着至关重要的作用。矿井的瓦斯爆炸，与巷道的通风是否顺畅，风量的充足与否都有着直接关系，一旦通风不畅，瓦斯浓度升高到一定程度，即会造成爆炸塌井，造成重大事故，危及矿工的生命安全。如此重要的安全生产关键设备，如果因某种故障而停机运行，将会给整个矿山的安全生产带来巨大威胁，因此，要求与之配套的高压变频器必须具备非常高的可靠性才能够满足安全生产的要求。

    神华宁煤集团汝箕沟煤矿在矿井通风系统技术改造中，东风井BD-Ⅱ-10NO24/2×200KW、西风井BD-Ⅱ-10NO30/2×280KW对旋轴流通风机选用了北京利德华福公司生产的HARSVERT-A系列高压变频器。2006年11月30日，正式投运，运行稳定，一般都运行在35～40Hz，节能效果良好。

    （一）HARSVERT-A系列高压变频器具有以下技术特点：

    ARSVERT-A系列高压变频调速系统采用单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，直接6KV输入，直接6KV高压输出。变频器主要由移相变压器、功率模块和控制器组成。

    1.功率模块结构：功率模块为基本的交-直-交单相逆变电力，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到单相交流输出。每个功率模块结构及电气性能上完全一致，可以互换。

    2.输入侧结构：输入侧由移相变压器给每个功率模块供电，移相变压器的副边绕组分为三组，根据电压等级和模块串联级数，一般由24脉冲系列、30脉冲系列、42脉冲系列、48脉冲系列等构成多级相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形（网侧电压电流谐波指标满足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其负载下的网侧功率因数接近1，无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置。由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。

    3.输出侧结构：输出侧由每个功率模块的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长度，可直接用于普通电机。同时，电机的谐波损耗大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。

    当某一个功率模块出现故障时，通过控制使输出端子短路，可将此单元旁路退出系统，变频器可降额机械运行；由此可避免很多场合下停机造成的损失。

    4.控制器：控制器由高速单片机、嵌入式人机界面和PLC共同构成。单片机实现PWM控制。嵌入式人机界面提供友好的全中文bbbbbbS监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。内置PLC则用于柜体内开关信号的逻辑处理，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊需要。

    控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，可靠性大大提高。另外，交流220V控制电源掉电时，控制器可由配备的UPS继续供电，（散热风机电源取自移相变压器）变频器可以继续运行。

    （二）概括起来其主要应用效果如下：

    1．变频起动对电网没有任何冲击。由于变频器改造后风机可以实现变频软起动，避免了起动电流的冲击，不仅对电网没有任何冲击，而且还可以随时起动或停止；

    2．按需调节风量，避免浪费。进行变频改造后，风机的送风量不再需要由风门来调节，而是由变频器通过变频调节风机的转速来实现，调节范围可以从0%—****；因而可以根据生产需要随意调节风量，减少了不必要的浪费；

    3．变频节能运行，节约了大量能源。由于变频改造后不再使风机一直处于满负荷工作状态，节能率高达63%以上；

    4．降低风机工作强度，延长使用寿命。进行变频改造后，风机的大部分工作时间都在较低的速度下运行，因而大大降低了风机工作的机械强度和电气冲击，将会大大延长风机的使用寿命，降低维修强度；

    5．可使电动机与风机直接相连接，减少传动环节的费用；

    6．电机和风机运转速度下降，润滑条件改善，传动装置的故障下降；

    7．系统压力降低，对管道的压力和密封等条件缓解，延长使用寿命；

    8．系统完善的监控性能和高可靠性提高了工作效率，减少了检修和维护的工作量。

    9．需要注意的是煤矿对旋风机变频调速后，一般情况下要求两台电机的运行频率尽量一致，从而保证电机转速一致。避免一台转速高，一台转速低，形成风阻，影响风机的正常运行

西门子s7-1200 紧凑型在当前的市场中有着广泛的应用，由于其****，所以常被用作小型自动化控制设备的控制器，这也使得它经常与modbus仪表（扫描枪、打印机等设备进行通讯。因为没有第三方modbus仪表，这里就以s7-200作为第三方的仪表为例介绍modbus通讯。

1．控制系统原理

图1:通讯系统原理

2．硬件需求

s7-1200 plc目前有3种类型的cpu：

1）s7-1211c cpu。

2）s7-1212c cpu。

3）s7-1214c cpu。

这三种类型的cpu*多都可以连接三个串口通信模版。

本例中使用的plc硬件为：

1）pm1207( 6ep1 332-1sh71 )

2） s7-1214c ( 6es7 214 -1be30 -0xb0 )

3) cm1241 rs485 ( 6es7 241 -1ch30 -0xb0 )

4）cpu224xp （6es7 214-2ad23-0xb0）

3．软件需求

1) 编程软件 step7 basic v10.5 ( 6es7 822-0aa0-0ya0)

2）编程软件 step 7 microwin； modbus库软件选项包

4．组态

我们通过下述的实际操作来介绍如何在step7 basic v10.5 中组态s7-1214c 和s7-200的modbus通信。

4.1 s7-1200作modbus主站，s7-200作modbus从站

s7-1200作为modbus主站的配置步骤如下：

点击桌面上的“totally integrated automation portal v10”图标，打开如下图：

图2： 新建s7 -1200项目

首先需要选择“create new project”选项，然后在“project name:”里输入modbus_master；在“path：”修改项目的存储路径为“c:\”；点击“create”，这样就创建了一个文件modbus的新项目。创建后的窗口如下图所示：

图3： 新建项目后

点击门户视图左下角的“project view”切换到项目视图下，如下图：

图4： 切换到项目视图

打开后，在“devices”标签下，点击“add new device”，在弹出的菜单中输入设备名“plc_1”并在设备列表里选择cpu的类型。选择后如下图：

图5： plc硬件组态

插入cpu后，点击cpu左边的空槽，在右边的“catalog ”里找到“communication”下的rs485模块，拖拽或双击此模块，这样就把串口模块插入到硬件配置里，接下来就需要配置此rs485模块硬件接口参数，选择rs485模块，在其下方会出现该模块的硬件属性配置窗口， 在属性窗口里有下面五个选项， “general”； “port configuration”；“transmit message configuration”；“receive message configuration”；“io address/hw identify”。在“general”里包括了此模块的“项目信息”；而在“port configuration”里可以对端口的进行参数配置，

波特率为：9600 ；

校验方式：无 ；

数据位为：8 ；

停止位： 1；

硬件流控制：无；

等待时间： 1ms

设置参数如下图：

图6： rs485端口配置

在“transmit message configuration”和“receive message configuration”里保持默认设置，在“io address/hw identify”里确认一下“硬件识别号”为11。

此时，完成了硬件的组态，接下来需要编写modbus通讯程序。

在plc中编写发送程序。在项目管理视图下双击“device”—》“program block”—》“add new block”在弹出的窗口中选择“organizations block(ob)”，然后在其右边的窗口里选择“startup”，去除“symbolic access only”的选项勾。如下图所示：

图7： 添加启动ob块

点击“ok”后会打开此ob块，然后在启动ob块里用mb_comm_load（注：mb_comm_load和mb_master功能块是在“project library”下的“library”选项卡里，如下图所示：）

图8： library

调用后如下图所示：

图9： 调用mb_comm_load块

在调用mb_comm_load功能块时 ，都会自动弹出创建相应背景数据块的界面，如下图：

图10：创建背景数据块

按上面的步骤在ob1中插入mb_master功能块如下图：

图11：调用mb_master块

在插入功能块的过程，相应的生成mb_comm_load_db和mb_master_db,两个背景数据块。然后再创建一个发送或接收的数据缓冲区，点击plc_1项目下的“program block”下的“add new block”，在弹出的窗口中选择db类型为“bbbbbb db”，并去掉“symbolic access only”选项勾（这样可以对该db块进行直接地址访问），并取名该db块为mb_comm_db。建好这个db块后，双击打开mb_comm_db预先定义数据区的大小，如下图所示：

图12：数据区的定义