基于PLC的通風監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設計

李繼平

(陽泉煤業(yè)集團有限責任公司，山西 陽泉 045200)

1 概述

該煤礦公司礦井采取的主要通風方式是中央并列式，其中主斜井、副斜井、行人斜井三個井筒進風，回風斜井回風。礦井通風方法是采用機械抽出式通風，回風井安設兩臺FBCDZ-10-No25B防爆對旋式軸流通風機，一臺工作，一臺備用。每臺通風機由兩臺YBF型10極380kV160kW電動機驅(qū)動。通過改變通風機葉片角度，滿足礦井各種通風網(wǎng)路情況下通風的需要。回采工作面采用U型通風布置。掘進工作面采用獨立局部通風機通風，工作面配備兩臺FBDNo6.7/2×30局部通風機進行供風，一臺工作，一臺備用。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風風流中，利用主通風機全負壓通風。

2 主要運行參數(shù)的監(jiān)測

井下通風系統(tǒng)的運行狀態(tài)行情況，所以通過對風機運行量、風機振動情況等參數(shù)進行實到通風狀態(tài)的基礎監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.1 溫度的監(jiān)測

井下通風風機的軸溫升高大多是因風機磨損等內(nèi)部故障所造成的，這是因為電機軸兩端帶動風機葉片隨電機長時間運轉(zhuǎn)，電機的軸溫便會不斷升高，如果電機的軸溫超過電機軸所能承受的溫度時，電機便會被燒毀。從一定程度上說若風機溫度達到一定程度時，則說明風機內(nèi)部的零部件已經(jīng)在很大程度上處于磨損狀態(tài)，在這種情況下便會嚴重影響井下的安全生產(chǎn)工作，所以說風機軸承溫度是一個很重要的監(jiān)測參數(shù)。通過優(yōu)化設計，實時監(jiān)測電機軸的溫度變化，使得當電機軸的溫度超過設定閾值范圍，便停止電機的運行，同時給予故障預警，防止電機被燒毀。

2.2 風速、風量的監(jiān)測

對風速的監(jiān)測主要是通過對風量的實時監(jiān)測而進行測算，而用來監(jiān)測井下空流動速度的傳感器稱為風速傳感器，根據(jù)傳感器對主風機的風速測量，利用公式(1)可以求得風量，其公式如下：Q=VS.(1)

式中：Q為通過風機的風量，m3/s；S為擴散器內(nèi)芯筒的橫截面積，m2；V為風速，m/s。

通過準確測量井下的通風風速，便可以進行風速和風量的調(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 風機振動的監(jiān)測

振動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，振動會使得儀器設備發(fā)熱磨損，長久以往精密儀器的精度、可靠性以及壽命降低。對于旋轉(zhuǎn)的風機轉(zhuǎn)軸的振動監(jiān)測，常用的方式為測軸振動和測軸承振動，其中，測定軸承振動主要用于對中低速的旋轉(zhuǎn)體的測量，測定軸的振動主要用于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)體。結(jié)合井下實際情況與本系統(tǒng)的設計需要，本系統(tǒng)采用對風機前后級的風機軸承振動進行監(jiān)測。

3 系統(tǒng)硬件的設計

3.1 硬件總體設計

根據(jù)通風系統(tǒng)的需求，通過優(yōu)化設計將其通風系統(tǒng)設計為上位機監(jiān)測管理層、網(wǎng)絡通信層和現(xiàn)場監(jiān)測層三層結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場監(jiān)測層安置的各類傳感器監(jiān)測風機與通風量信息，將這些信息實時傳輸給井下PLC主控制器進行數(shù)據(jù)處理，主控制器通過所設定的邏輯進行運算并得出通風的最佳方案，并將其利用網(wǎng)絡通信層上傳至地面上位機監(jiān)測管理層，從而方便地面工作人員對井下通風情況進行實時掌握與監(jiān)測。根據(jù)優(yōu)化設計需求，現(xiàn)場監(jiān)測層主要包括PLC控制器、現(xiàn)場實時信號采集單元、監(jiān)測對象，而監(jiān)測對象為巷道通風量、風機運行狀態(tài)、PLC控制器運行狀態(tài)等。PLC控制器為整個井下現(xiàn)場層的核心單位，負責數(shù)據(jù)處理與邏輯運算，并可以與上位機實時信息交流傳輸。網(wǎng)絡通信層負責連接本系統(tǒng)中上位機監(jiān)測層與現(xiàn)場監(jiān)測層，考慮到井下潮濕、封閉等復雜工作環(huán)境，為減小共模干擾，增強通信的可靠性提高傳輸效率，本系統(tǒng)采用RS485進行差分傳輸。綜上，通過對通風系統(tǒng)的優(yōu)化設計，本文設計的風機通風監(jiān)測系統(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)場主控PLC選型

井下現(xiàn)場影響信號的因素比較多，故對系統(tǒng)自身的信號也會產(chǎn)生一定程度的干擾，為了實現(xiàn)穩(wěn)定的工控需求，選用的PLC要具有便于維護、高可靠性、運行穩(wěn)定等特點作為下位機。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、指令功能強大、可靠性較高、功能完善等優(yōu)點，被廣泛應用在工控生產(chǎn)中。

西門子S7-200系列的PLC有多類型的CPU單位，可以滿足各種應用需求。考慮系統(tǒng)功能的需求，在確定I/O點數(shù)后，仍保留15%～20%的備用裕量，以備后續(xù)進一步地優(yōu)化使用，所以本系統(tǒng)共采用14點數(shù)字量輸入、10點的數(shù)字量輸出、14點的模擬量輸入與5點的模擬量輸出來滿足系統(tǒng)功能需求。

4 系統(tǒng)程序的設計

本系統(tǒng)采用西門子S7-200系列的專用編譯器進行編程處理，將監(jiān)測軟件程序分為多個子程序模塊，模塊化的調(diào)用方便編譯與后續(xù)功能的擴展。本系統(tǒng)編譯的主流程如圖2所示，主程序首先對各個單元進行初始化設置并等待信息采集信號的開始，當風機在運行狀態(tài)下，不斷監(jiān)測井下通風系統(tǒng)運行狀態(tài)，并將采集的數(shù)據(jù)傳給PLC主控器。根據(jù)采集信號PLC對通風量進行邏輯與運算，給予通風量的最優(yōu)化，同時將其最優(yōu)控制信號輸出至控制方式調(diào)節(jié)子程序中。在風機運行監(jiān)測子程序中通過對井下通風與風機運行狀態(tài)的監(jiān)測，判別控制方式是否合理，通風量是否最優(yōu)，風機是否存有故障。預警子系統(tǒng)，根據(jù)運行監(jiān)測子系統(tǒng)中實時監(jiān)測的結(jié)果，通過進行PLC主控器進行運算，得出一個預警初值提供報警信號，一方面通知井下操作人員，另一方面上傳至地面監(jiān)測人員，從而使系統(tǒng)能快速恢復正常。

圖2 主程序流程圖

5 結(jié)論

通過利用西門子S7-200系列PLC作為井下通風系統(tǒng)的主控制邏輯處理單元，并對風機的運行溫度、振動情況、風機風速與風量等實時監(jiān)測，將二者作為井下現(xiàn)場層的邏輯層。通過井下現(xiàn)場層的實時監(jiān)測，利用網(wǎng)絡通信層將井下數(shù)據(jù)信息傳輸給地面監(jiān)測中心，方便地面的操作，完成整個通風系統(tǒng)的監(jiān)測。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)化井下通風狀態(tài)，從而實現(xiàn)通風過程全監(jiān)測，極大地提高通風安全性與可靠性，具有很大的推廣價值。