基于可編程序控制器的煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

□ 朱會東□ 田力勇

1.阜新高等?？茖W(xué)校 遼寧阜新 123000

2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院 遼寧阜新 123000

1 設(shè)計背景

煤礦主扇風(fēng)機用于向井下輸送空氣，及時排出粉塵，以保障礦井生產(chǎn)安全和礦工生命安全。由于礦井井下環(huán)境條件惡劣，主扇風(fēng)機一旦發(fā)生故障，將會給礦區(qū)生產(chǎn)安全帶來重大損害，因此建立一套功能完善的風(fēng)機自動監(jiān)控系統(tǒng)十分有必要[1-2]。針對當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)存在的系統(tǒng)過于簡單、部分關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測精度較低、監(jiān)測內(nèi)容不全面、未與調(diào)度中心信息系統(tǒng)集成等問題，基于S7-200系列可編程序控制器（PLC）設(shè)計了一種安全可靠、操作方便的煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)[3-4]。

2 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示，主扇由兩組對旋式軸流通風(fēng)機組成，其中一組為工作機，另一組為備用機[5]。每組通風(fēng)機采用兩臺電機實現(xiàn)拖動，并分別安置在兩個獨立的風(fēng)道中，最終匯入主風(fēng)道。在每組風(fēng)機入口處設(shè)有閘門，以便于進行調(diào)節(jié)風(fēng)量及調(diào)換風(fēng)機等操作。在兩個風(fēng)道的出口處均配置了靜壓傳感器和差壓傳感器，用于測量并采集風(fēng)機運轉(zhuǎn)時的負(fù)壓和流量等參數(shù)。

圖1 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)

主扇的通風(fēng)量一般可分為一級和二級兩個級別。當(dāng)風(fēng)量為一級時，一臺電機運行。當(dāng)風(fēng)量為二級時，兩臺電機同時運行。風(fēng)機正常運行時的通風(fēng)方式為抽出式通風(fēng)，這種通風(fēng)方式可以起到抑制瓦斯的作用[6]。主通風(fēng)機還可以通過改變電機轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)反風(fēng)控制。

3 煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)控制方案

3.1 控制要求

煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)中，控制部分可以分為礦井主通風(fēng)機控制和風(fēng)機各種參數(shù)測量。系統(tǒng)主要由上位機、PLC、變頻器和各種傳感器構(gòu)成。PLC主要用于實現(xiàn)各個參數(shù)的采集和對風(fēng)機運行狀態(tài)的控制。上位機主要實現(xiàn)儲存、實時顯示數(shù)據(jù)，以及打印等功能。為了礦井生產(chǎn)的安全可靠進行，管理人員要及時掌握礦井通風(fēng)機的各種信息，實時采集風(fēng)機運行的參數(shù)。如果有異常情況，可以進行實時報警。

3.2 系統(tǒng)原理

煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)的原理如圖2所示。上位機采用工業(yè)控制計算機，配有打印機及不間斷電源，監(jiān)控軟件采集現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，并具有、顯示、存儲、打印、報警、生成實時及歷史曲線、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，對礦井通風(fēng)機進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。下位機采用PLC，主要負(fù)責(zé)采集各項分級參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出，實現(xiàn)對風(fēng)機的實時監(jiān)測，控制風(fēng)機運行。

以2×185 kW對旋式軸流風(fēng)機為例，選用S7-200 PLC、空氣壓力傳感器和變頻器等組成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中還包括接觸器、中間繼電器、熱繼電器、斷路器等系統(tǒng)保護設(shè)備，實現(xiàn)對電機和PLC的有效保護，以及對電機的切換控制。

圖2 煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)原理

為滿足自動控制的要求，系統(tǒng)提供手動、自動兩種工作模式，并具有現(xiàn)場控制方式、狀態(tài)顯示及故障報警等功能。

3.3 系統(tǒng)組成

煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖3所示。PLC控制柜主要用于實現(xiàn)風(fēng)機啟動、停機，以及兩臺風(fēng)機切換過程中風(fēng)門與其它輔助設(shè)備的自動控制。PLC采集柜由傳感器和變送器組成，主要用于采集煤礦通風(fēng)機運行過程中電機的溫度、振動、電量等參數(shù)。集中監(jiān)測控制臺主要用于提供人機交流信息，通過人機界面可以對煤礦通風(fēng)機進行啟動控制，還可以實時監(jiān)視風(fēng)機運行中的各項參數(shù)，及時掌握風(fēng)機的運行情況。PLC主要通過變頻調(diào)速裝置對風(fēng)機進行變頻調(diào)速，進而實現(xiàn)節(jié)能的目的。系統(tǒng)可以根據(jù)井下風(fēng)量的要求，通過調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速來達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)速的目的，也可以根據(jù)給定的變頻器轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)機的風(fēng)速[7-8]。

圖3 煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)組成

采用PLC控制，可以對電機的啟動與運行控制，還具有監(jiān)控、聯(lián)鎖和過熱保護等功能。PLC與空氣壓力變送器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，同時使通風(fēng)機運行時的故障率降低，提高設(shè)備的運轉(zhuǎn)率。

4 系統(tǒng)硬件選型

根據(jù)實際要求，并綜合各方面對比，基于S7-200 PLC進行設(shè)計，該PLC具有24個輸入點和16個輸出點。

PLC變頻器的型號為SJ700-3150HFE2，額定功率為315 kW，額定電流為600 A，額定電壓為380 V。變頻器可適配315 kW重載電機，完全滿足現(xiàn)場實際的功率需求，并留有一定的裕量。大多數(shù)變頻器都有RS 485接口，可分別使用PLC和變頻器的RS 485接口，通過通信的方式來控制設(shè)備的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速，還可以通過這種方式修改變頻器的參數(shù)。

將PLC、觸摸屏和監(jiān)控軟件結(jié)合起來，應(yīng)用于煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)對通風(fēng)機運行參數(shù)和驅(qū)動電機電氣參數(shù)的實時監(jiān)測，并可顯示當(dāng)前運行的通風(fēng)機機號、正反轉(zhuǎn)信號、通風(fēng)機開停狀態(tài)，以及變電所高低壓設(shè)備的運行參數(shù)、狀態(tài)，同時實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和操控。

溫度傳感器選用Pt100鉑電阻傳感器。該傳感器利用金屬鉑在溫度變化時自身阻值也隨之改變的特性來測量溫度，能夠準(zhǔn)確地測出軸承或定子的溫度，并將測量值傳送至PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)被測介質(zhì)中存在溫度梯度時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。這種溫度傳感器的特點為耐振動，可靠性高，穩(wěn)定性好，同時具有精確的靈敏性[9]。

連續(xù)檢測工作時風(fēng)機軸承和電機軸承的溫度，是風(fēng)機工況監(jiān)測的一項重要任務(wù)。檢測時，由溫度檢測元件和變送器、電壓調(diào)制電路構(gòu)成的檢測電路與PLC進行通信，將溫度參數(shù)上傳至工控機。根據(jù)本系統(tǒng)的監(jiān)測要求，選擇熱電阻式熱電傳感器檢測風(fēng)機溫度。

風(fēng)量傳感器選擇KGF2型礦用智能風(fēng)量傳感器，采用超聲測量原理，具有技術(shù)先進、使用方便、長期使用穩(wěn)定可靠、免維護等特點。風(fēng)量傳感器主要用于煤礦井下各坑道、風(fēng)口、井口等處的風(fēng)速、風(fēng)量檢測，以確保煤礦的井下通風(fēng)安全，可與各種煤礦監(jiān)測系統(tǒng)配套使用。

選擇KGY4型負(fù)壓傳感器對風(fēng)機壓力進行測量，用于檢測負(fù)壓的大小，為本質(zhì)安全型產(chǎn)品，適用于煤礦井下系統(tǒng)。該傳感器采用高穩(wěn)定性微型擴散硅壓力傳感元件，具有精度高、穩(wěn)定可靠、使用方便等特點[10]。負(fù)壓傳感器能與各種煤礦安全及生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)配套使用。

瓦斯傳感器選擇KGJ15型智能遙控甲烷傳感器，用于檢測煤礦井下瓦斯?jié)舛取＿@一傳感器主要由黑白元件、檢測電橋、運算放大器、模數(shù)信號轉(zhuǎn)換、單片機、顯示、輸出等部分組成，是一種智能型檢測儀表，具有自動調(diào)零、自動調(diào)靈敏度、非線性補償?shù)裙δ?，使用方便，穩(wěn)定可靠。瓦斯傳感器可與國內(nèi)外各種煤礦監(jiān)測系統(tǒng)配套使用。

對風(fēng)機軸承進行振動監(jiān)測與故障診斷時，通過速度傳感器測量軸承的振動峰值、均方根值或均值，并將這些測量值與事先標(biāo)定出的允許值作比較，指示出軸承運行情況的正常與否。具體測試方法為：通過安裝在軸承部位的速度傳感器采集振動烈度信號，經(jīng)過振動變送器送PLC，以便實時監(jiān)控電機的運行情況。通過風(fēng)機振動位移和振動周期，可以反映風(fēng)機潛在的故障，避免風(fēng)機停機等嚴(yán)重故障發(fā)生。經(jīng)過比較之后，系統(tǒng)中選擇MT3T型電磁式速度傳感器。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于PLC的煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。系統(tǒng)通電后，首先進行故障檢測，然后啟動風(fēng)機，打開風(fēng)門，通過傳感器完成通風(fēng)機軸承溫度、風(fēng)機振動強度及瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)采集。如果出現(xiàn)風(fēng)機軸承溫度、振動值超限，則報警停機，如果瓦斯超限，則報警。如果沒有報警，則對系統(tǒng)參數(shù)進行采集轉(zhuǎn)換，送至PLC，經(jīng)過運算處理，按系統(tǒng)要求進行控制。

5.1 風(fēng)機啟動流程

1號風(fēng)機與2號風(fēng)機通過同一控制系統(tǒng)進行控制，筆者以1號風(fēng)機為例介紹，其啟動流程如圖5所示。啟動后，打開通往井下的風(fēng)門，同時關(guān)閉地面進風(fēng)門。初始程序中設(shè)定通往井下的風(fēng)門處于關(guān)閉狀態(tài)，地面風(fēng)門處于開啟狀態(tài)。旋式軸流主通風(fēng)機的葉輪由兩臺同等容量的電機來拖動，兩臺電機需相反方向旋轉(zhuǎn)。為防止電機同時啟動給電網(wǎng)帶來太大的沖擊，設(shè)定在1號風(fēng)機電機1-1啟動30 s后，再啟動電機1-2。

圖4 煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程

圖5 1號風(fēng)機啟動流程

5.2 風(fēng)機反風(fēng)控制流程

對旋式軸流主通風(fēng)機可通過改變電機的旋轉(zhuǎn)方向來實現(xiàn)反風(fēng)，不需要另設(shè)反風(fēng)通道。反風(fēng)控制必須在電機完全停止的情況下才能進行。反風(fēng)控制時，風(fēng)門的狀態(tài)保持不變。以1號風(fēng)機為例，當(dāng)收到反風(fēng)命令時，先按下1號風(fēng)機電機的停止按鈕。當(dāng)電機完全停止后，再按下1號風(fēng)機電機1-1的反轉(zhuǎn)啟動按鈕，經(jīng)過30 s時間后，按下1號風(fēng)機電機1-2的正轉(zhuǎn)按鈕，進行反風(fēng)。風(fēng)機反風(fēng)控制流程如圖6所示。

6 系統(tǒng)程序設(shè)計

圖6 風(fēng)機反風(fēng)控制流程

基于PLC的煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)采用STEP7編程軟件進行程序設(shè)計，按系統(tǒng)要求將用戶編寫的程序和程序所需要的數(shù)據(jù)放置在塊中，使單個程序部件標(biāo)準(zhǔn)化。通過塊與塊之間的調(diào)用，使用戶程序結(jié)構(gòu)化，可以簡化程序組織，使程序易于查錯和修改。1號風(fēng)機電機1-1啟動程序如圖7所示，1號風(fēng)機電機1-1接入變頻器程序如圖8所示，1號風(fēng)機軸溫度檢測程序如圖9所示，1號風(fēng)機繞組溫度檢測程序如圖10所示，1號風(fēng)機軸溫度超限報警程序如圖11所示，瓦斯報警程序如圖12所示。

圖7 1號風(fēng)機電機1-1啟動程序

圖8 1號風(fēng)機電機1-1接入變頻器程序

圖9 1號風(fēng)機軸溫度檢測程序

圖10 1號風(fēng)機繞組溫度檢測程序

圖11 1號風(fēng)機軸溫度超限報警檢測程序

圖12 瓦斯報警程序

7 結(jié)語

針對傳統(tǒng)主扇風(fēng)機控制系統(tǒng)中存在的問題，基于PLC設(shè)計了煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)，并進行了深入研究。

（1）下位機系統(tǒng)采用S7-200 PLC，硬件簡單、安全，軟件通俗易懂，便于學(xué)習(xí)，方便調(diào)試和維修。通過PLC和各種傳感器的結(jié)合，對通風(fēng)機的各種信號進行采集，并傳送至上位機進行顯示。避免了傳統(tǒng)繼電器機械接觸點多、控制方法固定等缺點,極大地提高了系統(tǒng)的靈活性、可靠性。

（2）煤礦主扇的風(fēng)量調(diào)節(jié)主要采用目前先進的變頻調(diào)速方案。采用矢量控制技術(shù)，配合礦井主通風(fēng)機的工作環(huán)境，只需對變頻器的頻率進行參數(shù)設(shè)置,即可達(dá)到快速調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。

（3）為了提高系統(tǒng)的安全性，對通風(fēng)機的各項參數(shù)進行監(jiān)測。

（4）在設(shè)計中,采用STEP7編程軟件，實現(xiàn)對PLC的編程。用戶通過PLC梯形圖編寫應(yīng)用程序，可以實現(xiàn)各種控制，滿足實際的需求。