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通風機變頻節能監控系統的設計及節能分析

文檔作者：郝軍文檔來源：山西晉能控股煤業集團大陽泉煤炭有限責任公司		點擊數：	更新時間： 2025年10月05日
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上一篇：通風機節能控制策略及關鍵傳感器的選型設計

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自動化系統設計
2023年第8期 Mechanical Management and Development No.8,2023
總第244期 機械管理開發 Total 2244
D0I:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2023.08.088
通風機變頻節能監控系統的設計及節能分析
郝軍
（山西晉能控股煤業集團大陽泉煤炭有限責任公司， 山西陽泉045000)
摘要：為解決通風機當前控制系統無法根據工況或實際需風量對通風機風量、風速等參數進行調節且容易在啟
動階段對設備和電網造成沖擊的問題，在對通風機結構簡單闡述的技術上，提出了通風機變頻調速監控系統的總
體設計思路，重點對變頻調速功能實現的硬件進行選型設計，對變頻調速技術的應用效果進行全面評估。
關鍵詞：通風機；變頻調速；節能；變頻器；風量傳感器
中圖分類號：TD441 文獻標識碼：A 文章編號：1003-773X(2023)08-0207-02
0弓引言
通風機為煤礦綜采工作面的“呼吸系統”，其主要
負責為工作面輸送新鮮的空氣，對工作面的瓦斯濃度
進行稀釋，降低工作面的粉塵濃度，改善現場工作人
員和設備的工作環境。通風機作為綜采工作面的主要
耗能設備,其在生產中所消耗電能的占比較高。在以
往生產中，通風機控制主要依靠人工對風門進行調
節，從而達到對風量控制的目的。通風機的傳統控制
方式存在如下弊端：一是無法實時掌握通風機的運行
狀態；二是無法根據工作面工況對通風機運行參數進
行調整，導致電能浪費嚴重。為此，將重點完成通風機
變頻節能監控系統的設計,并對該系統的節能效果和
監測效益進行評估驗證。
1通風機變頻節能監控系統總體設計
1.1 通風機結構概述
根據不同的分類標準，可對通風機進行多類劃
分。其中，根據其結構不同可分為離心式通風機和對
旋式軸流風機[1-2]；根據通風機應用環境的不同，可將
其分為主通風機、局部通風機和輔助通風機。本文對
旋式軸流通風機為例開展系列研究，對旋式軸流風機
結構如圖1所示。結合實踐生產對變頻節能監控系統
進行設計，該煤礦所配套通風機的具體型號為
YBF630M2-10，該型通風機的具體參數如表1所示。
1.2 通風機變頻節能監控總體設計
從原理上講，通風機電機的轉速直接決定設備的
氣流方向
-母
1集流器；2一消聲器；3—整流罩；4一電動機；5——級葉輪；
6一二級葉輪
圖1 對旋式軸流風機結構示意圖
表1YBF630M2-10型通風機具體參數
參數名稱參數值
額定電機功率/kW 500
額定轉速/（r/min） 600
功率因素0.80
風量及其能耗。在實際生產中，隨著工作面工況的不
同,其所需的實際風量存在一定的差異。傳統對通風
機風量的控制是通過應用擋板實現其功能的，該種控
制方式不僅對風量的調節控制范圍小，而且極容易燒
毀電機并對電網及其設備造成沖擊。變頻調速技術為
通過變頻器對電機的頻率進行調節，從而實現對電機
轉速的控制,最終實現對通風機風量的控制[3-4]。
目前，變頻調速控制技術已經在帶式輸送機中應
用。實踐表明：變頻調速可實現對大型機電設備的軟
啟動，即可以解決啟動時對電網造成沖擊的問題；同
時，變頻調速技術可根據工況對通風機風速進行直接
調節，從而對工作面風量、風阻等參數進行控制[5]。
變頻調速控制功能實現的基礎是對現場瓦斯濃
度、粉塵濃度以及溫濕度等指標的監測和對通風機實
時風速、風量等指標的檢測。因此，實現對煤礦通風機
運行狀態的監測也非常重要。在上述需求背景下，設計
了通風機變頻節能監控系統的總體架構，如圖2所示。
2 變頻節能監控系統關鍵硬件選型
硬件是實現通風機變頻調速和監控功能的基礎。
結合通風機變頻調速及其監控功能的需求，本文重點
對涉及到的關鍵硬件包括PLC控制、變頻器，以及各
類監測、檢測裝置進行選型設計。
2.1 PLC控制器選型
PLC控制器對所采集數據處理并發出發出指令
的關鍵設備。綜合考慮通風機變頻節能控制的輸人
量、輸出量以及處理速度，本項目采用ControlLogix
50001769系列PLC控制器。并根據系統的輸人量、
輸出量配套相應的CPU處理模塊、輸人／輸出模塊的
型號及數量，如表2所示。
收稿日期：2022-05-11
作者簡介：郝軍（1990一），男，山西翼城人，畢業于太原理工大學采礦工程專業，助理工程師，從事通風管理工作。
.208· 第38卷
機械管理開發
jxglkfbjb@126.com
上位監控系統 黃膠二礦礦井自動 化調度平臺
交換機
PLC
高壓進1號風山號風2號風2號風低壓進PLC電盟明電1號水
高壓機級機機一級機級線電源柜源柜平風門真風門風門電源柜電源柜電源柜電源柜值風門
柜餃頻器變頻器變頻器變頻器
電源柜電源柜電源柜電源柜
一號垂直動傳感器一號水平菱動傳感器
2 2號水平
一一級電機
2號一級電機溫度
一
瓦斯濃度
級電機溫度2號二級電機溫度
號風1號風2號風
路柜
覆動傳感器
務2號風
愛動傳感器
機級機級路機級機
柜變額器交頻器變頻器變頻器
圖2 通風機變頻節能監控系統的總體架構
表2 變頻節能監控系統各模塊型號與數量
模塊名稱型號數量/個
CPU模塊1769L35 2
數字量輸人模塊1769DI 4
數字量輸出模塊1769D0 4
模擬量輸人模塊1769AI 2
模擬量輸出模塊1769A0 2
2.2 變頻器選型
變頻器是對通風機電機運行頻率調節控制的核
心設備，變頻器的選型需與YBF630M2-10型通風機
相匹配。結合變頻調速功能需求，為通風機所配套的
變頻器的具體型號為BTIO09-1，該型變頻器的具體
工作參數如表3所示。
表3 BTIO09-1型變頻器工作參數
變頻器型號BTI009-1
額定容量/kVA 639
額定頻率/Hz 50/60
頻率輸出范圍/Hz 0~120
額定效率/% >96
2.3 通風機信號采集設備選型
實現通風機變頻調速功能，需對通風機的風量、
風速、靜壓、全壓等指標進行監測；同時，還需兼顧工
作面的瓦斯濃度。此外，為保證通風機運行的安全性，
需對通風機電機的溫度進行檢測。
1)對于通風機的風量、風速信號采集。針對風量
可采用KGY7風量傳感器對其進行監測，并基于風量
監測數據換算得出風速指標。
2）通風機靜壓、全壓的監測可采用型號為
XZD-YB型壓力傳感器進行監測
3)在通風機的進口處安裝型號為KGJ15濃度傳
感器對瓦斯濃度進行監測。
4)在通風機電機的定子以及前后軸承安裝型號
為PT100的溫度傳感器對電機溫度進行監測。
3 變頻節能監控系統的應用效果
將上述所選型的硬件集成為通風機的變頻調速
監控系統，并將其應用于實際生產中,對其應用效果
進行評估。主要從應用后的節能效果和其他效益兩方
面展開分析。
通風機在實際生產中處于全天24h的工作狀
態，按照每年工作320d，即每年工作時間為7920h，
對其節能效果進行核算。通風機的實際功率與電機功
率之間的關系如式（1)所示：
P=()Pe. (1) ne
式中：P為通風機的實際輸出功率；n為通風機的實際
運行頻率；ne為通風機的額定運行頻率，取50Hz;P。
為通風機電機的額定功率，取500kW。
在當前控制狀態下，通風機均以額定頻率運行；
在引人變頻調速控制技術后，根據煤礦的實際工況和
需風量要求，通風機電機的平均運行頻率為35Hz，即
n為35Hz。將相關參數代人式(1)中得出,實際輸出
功率為171.5kW。
則每年可節約電能為（500-171.5)kW×7920h=
260.1720萬kWh；按照0.5元/kWh計算，則每年可
節約電費約130.086萬元。
同時，通風機采用變頻調速技術后，可以消除通
風機在啟動時大電流對電網和通風機設備本身造成
的沖擊，從而對通風機運行工況進行有效改善。
4結語
通風機為煤礦綜采工作面通風系統的核心設備，
其主要負責將工作面瓦斯質量濃度、粉塵質量濃度等
指標控制在合理范圍之內，改善工作面現場的工作環
境。為解決通風機傳統控制方式容易在啟動階段對設
備造成沖擊且電能浪費嚴重的問題，本文基于PLC
控制器和各類檢測傳感器設計了變頻調速控制系統。
通過實踐表明：變頻調速技術在通風機控制中應用后
每年可直接節約電費130萬元左右；同時，變頻調速
技術可有效消除啟動階段對設備及電網造成的沖擊，
從而提升了設備的使用壽命。
參考文獻
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決方法［J.熱力發電，2019，48（11：79-83.
（編輯：王慧芳）（下轉第211頁）
g
上接第208頁）
D
上接第206頁）
編輯：王慧芳）
2023年第8期 陳瑞婷：煤礦通風安 馨儀表校準分析 ·211·
據采集終端，并不限于通風、保安等領域；還可用于其
他方面。通風安全測試儀的數據采集裝置在與其他傳
感器連接時，可以進行其他參數的檢測與處理。因而，
該儀表還可以應用于其他的測量領域。例如，可以被
改裝為一種可以測量風機性能的儀表，也可以同時具
有這兩種或多種功能。
5紀結語
在煤礦通風工作當中，安全儀器儀表有著不可或
缺的重要地位，故而煤礦企業相關管理人員需加大對
儀器儀表校準工作重視力度，確保儀器儀表自身作用
在煤礦當中充分發揮。從而切實提升煤礦井下作業安
全性，切實實現安全生產這一目標。
參考文獻
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Analysis of Coal Mine Ventilation Safety Instrumentation and Calibration
Chen Ruiting
(Ventilation Technology Department of Shanxi Coking Coal Xishan Coal Power, Taiyuan Shanxi 030024,
China)
Abstract: Ventilation management is an important part of underground work safety management, which needs many instruments as support,
if the relevant instruments can not work properly or the accuracy is not enough, it will lead to great safety risks. Therefore, for the coal mine
ventilation safety instrumentation how to effectively calibrate to explore and analyze. It is analyzed that the ventilation safety measurement
instrument, with the function of data acquisition, storage and processing, in addition to display, serial communication function, but also on
the keyboard for data input and selection, to become a kind of universal data acquisition terminal, and is not limited to the field of
ventilation, security and so on.
Key words: coal mine; ventilation and safety; instrumentation; calibration
[11]張德生.基于剛一液平面運動學模型的液壓支架平衡千斤頂控制
模式分析[J].煤礦開采，2017,22（6)：29-33.
[12] 于亞運.基于MC9S12XDP512的液壓支架電液控制系統端頭控制
器的開發[D].太原：太原理工大學，2016. （編輯：趙婧）
esign and Application of Automated Follower Control System for Hydraulic Stent
Synthesized Mining
Pan Hong
(Mechanical and Electrical Department, Meiyukou Mine, Jinneng Holding Coal Group, Datong Shanxi
037041, China)
Abstract: Aiming at the following machine control of coal mining machine, an infrared vision camera is used to determine the position of
coal mining machine, and a multi-module following machine control system is constructed, which realizes the automated following machine
control of hydraulic stent through the determination of the position of coal mining machine and the perception control of the hydraulic
stent's position and has a good control effect.
Key words: hydraulic bracket; machine-following control; automation; coal mining machine; position determination
Design and Energy Saving Analysis of Ventilator Frequency Conversion Energy Savin
Monitoring System
Hao Jun
(Shanxi Jinneng Holding Coal Group Dayangquan Coal Limited Liability Company, Yangquan Shanxi
045000, China)
Abstract: In order to solve the problem that the current control system of ventilator can not adjust the parameters of ventilator air volume
and air speed according to the working condition or the actual air demand, and it is easy to cause an impact on the equipment and the
power grid in the start-up phase, the overall design idea of the ventilator frequency conversion speed control system is put forward in the
technology of the ventilator structure briefly explained, focusing on the selection and design of the hardware for the realization of the
function of frequency conversion speed control and the comprehensive evaluation of the effectiveness of the application of the frequency
conversion speed control technology. The effect of the application of frequency control technology is comprehensively evaluated.
Key words: ventilator; frequency control; energy saving; frequency converter air volume sensor

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