基于PLC 的通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉湘杰

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)三聚盛煤業(yè)有限公司， 山西 太原 030303）

引言

井下通風(fēng)系統(tǒng)作為煤炭生產(chǎn)的主要系統(tǒng)之一，它的安全性與可靠性十分重要[1-2]。礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要是由動(dòng)力系統(tǒng)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)控制設(shè)施等部分向井下各作業(yè)面輸送新鮮空氣，是保障井下生產(chǎn)作業(yè)人員安全的不可或缺的系統(tǒng)[3-4]。作為井下運(yùn)行的重要設(shè)備，井下風(fēng)機(jī)往往處于全天24 h 不間斷運(yùn)行狀態(tài)，而傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)管理方式極不完善，主要表現(xiàn)在自動(dòng)化程度低、管理難度大、通風(fēng)監(jiān)測(cè)效率低、信息資源浪費(fèi)嚴(yán)重等[5-6]，這在一定程度上阻礙了煤礦現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)效益水平的提升，很容易造成電能的浪費(fèi)與安全隱患[7-8]。因此本文針對(duì)三聚盛煤業(yè)有限公司設(shè)計(jì)了一套安全、可靠、自動(dòng)化高的通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確快速獲取井下通風(fēng)量、風(fēng)速等基礎(chǔ)信息，并將采集數(shù)據(jù)對(duì)通風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)提供了可靠的理論支持。

1 三聚盛煤業(yè)有限公司煤礦通風(fēng)現(xiàn)狀

該煤礦公司礦井采取的主要通風(fēng)方式是中央并列式，其中主斜井、副斜井、行人斜井三個(gè)井筒進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)斜井回風(fēng)。礦井通風(fēng)方法是采用機(jī)械抽出式通風(fēng)，回風(fēng)井安設(shè)兩臺(tái)FBCDZ-10-No25B 防爆對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。每臺(tái)通風(fēng)機(jī)由兩臺(tái)YBF 型10 極380 kV 160 kW 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過改變通風(fēng)機(jī)葉片角度，滿足礦井各種通風(fēng)網(wǎng)路情況下通風(fēng)的需要?；夭晒ぷ髅娌捎肬 型通風(fēng)布置。掘進(jìn)工作面采用獨(dú)立局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)，工作面配備兩臺(tái)FBDNo6.7/2×30 局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供風(fēng)，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。井底水倉、主水泵房、主變電所、消防材料庫、等候硐室等均布置在主要進(jìn)風(fēng)風(fēng)流中，利用主通風(fēng)機(jī)全負(fù)壓通風(fēng)。

2 主要運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)

井下通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)取決于主扇風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，所以通過對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行溫度、風(fēng)機(jī)風(fēng)速與風(fēng)量、風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便可以獲取到通風(fēng)狀態(tài)的基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.1 溫度的監(jiān)測(cè)

井下通風(fēng)風(fēng)機(jī)的軸溫升高大多是因風(fēng)機(jī)磨損等內(nèi)部故障所造成的，這是因?yàn)殡姍C(jī)軸兩端帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片隨電機(jī)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)的軸溫便會(huì)不斷升高，如果電機(jī)的軸溫超過電機(jī)軸所能承受的溫度時(shí)，電機(jī)便會(huì)被燒毀。從一定程度上說若風(fēng)機(jī)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，則說明風(fēng)機(jī)內(nèi)部的零部件已經(jīng)在很大程度上處于磨損狀態(tài)，在這種情況下便會(huì)嚴(yán)重影響井下的安全生產(chǎn)工作，所以說風(fēng)機(jī)軸承溫度是一個(gè)很重要的監(jiān)測(cè)參數(shù)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)軸的溫度變化，使得當(dāng)電機(jī)軸的溫度超過設(shè)定閾值范圍，便停止電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)給予故障預(yù)警，防止電機(jī)被燒毀。

2.2 風(fēng)速、風(fēng)量的監(jiān)測(cè)

對(duì)風(fēng)速的監(jiān)測(cè)主要是通過對(duì)風(fēng)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)而進(jìn)行測(cè)算，而用來監(jiān)測(cè)井下空流動(dòng)速度的傳感器稱為風(fēng)速傳感器，根據(jù)傳感器對(duì)主風(fēng)機(jī)的風(fēng)速測(cè)量，利用公式（1）可以求得風(fēng)量，其公式如下：

式中：Q為通過風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/s；S為擴(kuò)散器內(nèi)芯筒的橫截面積，m2；V為風(fēng)速，m/s。

通過準(zhǔn)確測(cè)量井下的通風(fēng)風(fēng)速，便可以進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)量的調(diào)整，從而保證井下可靠安全的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，防止事故的發(fā)生。

2.3 風(fēng)機(jī)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)

振動(dòng)是日常生活和工程生產(chǎn)中最常見的物理現(xiàn)象，而在大多數(shù)情況下，振動(dòng)會(huì)使得儀器設(shè)備發(fā)熱磨損，長久以往精密儀器的精度、可靠性以及壽命降低。對(duì)于旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，常用的方式為測(cè)軸振動(dòng)和測(cè)軸承振動(dòng)，其中，測(cè)定軸承振動(dòng)主要用于對(duì)中低速的旋轉(zhuǎn)體的測(cè)量，測(cè)定軸的振動(dòng)主要用于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)體。結(jié)合井下實(shí)際情況與本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，本系統(tǒng)采用對(duì)風(fēng)機(jī)前后級(jí)的風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

3.1 硬件總體的設(shè)計(jì)

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)的需求，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)將其通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上位機(jī)監(jiān)測(cè)管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層三層結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層安置的各類傳感器監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)與通風(fēng)量信息，將這些信息實(shí)時(shí)傳輸給井下PLC 主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主控制器通過所設(shè)定的邏輯進(jìn)行運(yùn)算并得出通風(fēng)的最佳方案，并將其利用網(wǎng)絡(luò)通信層上傳至地面上位機(jī)監(jiān)測(cè)管理層，從而方便地面工作人員對(duì)井下通風(fēng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握與監(jiān)測(cè)。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層主要包括PLC控制器、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信號(hào)采集單元、監(jiān)測(cè)對(duì)象，而監(jiān)測(cè)對(duì)象為巷道通風(fēng)量、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、PLC 控制器運(yùn)行狀態(tài)等。PLC 控制器為整個(gè)井下現(xiàn)場(chǎng)層的核心單位，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與邏輯運(yùn)算，并可以與上位機(jī)實(shí)時(shí)信息交流傳輸。網(wǎng)絡(luò)通信層負(fù)責(zé)連接本系統(tǒng)中上位機(jī)監(jiān)測(cè)層與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層，考慮到井下潮濕、封閉等復(fù)雜工作環(huán)境，為減小共模干擾，增強(qiáng)通信的可靠性提高傳輸效率，本系統(tǒng)采用RS485 進(jìn)行差分傳輸。綜上，通過對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)主控PLC 的選型

井下現(xiàn)場(chǎng)影響信號(hào)的因素比較多，故對(duì)系統(tǒng)自身的信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生一定程度的干擾，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工控需求，選用的PLC 要具有便于維護(hù)、高可靠性、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)作為下位機(jī)。S7-200 系列作為由西門子公司生產(chǎn)的小型PLC 單位，其成本低、指令功能強(qiáng)大、可靠性較高、功能完善等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在工控生產(chǎn)中。

西門子S7-200 系列的PLC 有多類型的CPU 單位，可以滿足各種應(yīng)用需求?？紤]系統(tǒng)功能的需求，在確定I/O 點(diǎn)數(shù)后，仍保留15%～20%的備用裕量，以備后續(xù)進(jìn)一步地優(yōu)化使用，所以本系統(tǒng)共采用14點(diǎn)數(shù)字量輸入、10 點(diǎn)的數(shù)字量輸出、14 點(diǎn)的模擬量輸入與5 點(diǎn)的模擬量輸出來滿足系統(tǒng)功能需求。

4 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用西門子S7-200 系列的專用編譯器進(jìn)行編程處理，將監(jiān)測(cè)軟件程序分為多個(gè)子程序模塊，模塊化的調(diào)用方便編譯與后續(xù)功能的擴(kuò)展。本系統(tǒng)編譯的主流程如圖2 所示，主程序首先對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行初始化設(shè)置并等待信息采集信號(hào)的開始，當(dāng)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下，不斷監(jiān)測(cè)井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并將采集的數(shù)據(jù)傳給PLC 主控器。根據(jù)采集信號(hào)PLC 對(duì)通風(fēng)量進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，給予通風(fēng)量的最優(yōu)化，同時(shí)將其最優(yōu)控制信號(hào)輸出至控制方式調(diào)節(jié)子程序中。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)子程序中通過對(duì)井下通風(fēng)與風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，判別控制方式是否合理，通風(fēng)量是否最優(yōu)，風(fēng)機(jī)是否存有故障。預(yù)警子系統(tǒng)，根據(jù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果，通過進(jìn)行PLC 主控器進(jìn)行運(yùn)算，得出一個(gè)預(yù)警初值提供報(bào)警信號(hào)，一方面通知井下操作人員，另一方面上傳至地面監(jiān)測(cè)人員，從而使系統(tǒng)能快速恢復(fù)正常。

圖2 主程序流程圖

5 結(jié)論

通過利用西門子S7-200 系列PLC 作為井下通風(fēng)系統(tǒng)的主控制邏輯處理單元，并對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行溫度、振動(dòng)情況、風(fēng)機(jī)風(fēng)速與風(fēng)量等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將二者作為井下現(xiàn)場(chǎng)層的邏輯層。通過井下現(xiàn)場(chǎng)層的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用網(wǎng)絡(luò)通信層將井下數(shù)據(jù)信息傳輸給地面監(jiān)測(cè)中心，方便地面的操作，完成整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)利用三層結(jié)構(gòu)的模式，并利用PLC 作為主控邏輯器優(yōu)化井下通風(fēng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)通風(fēng)過程全監(jiān)測(cè)，極大地提高通風(fēng)安全性與可靠性，具有很大的推廣價(jià)值。