基于PLC的煤礦主扇通風(fēng)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

郭鑫程

（西山煤電西銘礦機(jī)電科外維二隊(duì)， 山西 太原 030052）

引言

主扇風(fēng)機(jī)是煤礦中最重要的大型固定設(shè)備之一，也是保障井下人員安全生產(chǎn)作業(yè)的重要設(shè)備[1]。它負(fù)責(zé)新鮮空氣運(yùn)送和有害氣體的排出，改善井下作業(yè)環(huán)境，又被稱為“礦井之肺”。主扇風(fēng)機(jī)在24 h全天運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下其耗電量巨大，出口風(fēng)量一般都通過人工增加擋板來實(shí)現(xiàn)，這種傳統(tǒng)方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且會造成大量電能的浪費(fèi)。同時(shí)主扇風(fēng)機(jī)在運(yùn)行當(dāng)中需要監(jiān)測的參數(shù)除了風(fēng)量還有溫度、振動、風(fēng)壓等等，涉及到的設(shè)備眾多，監(jiān)控難度較大，智能化的風(fēng)機(jī)工況監(jiān)測對于保證主扇風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行和井下安全生產(chǎn)具有重要意義[2]。

目前，許多企業(yè)仍采用人工控制和監(jiān)測主扇風(fēng)機(jī)的方式，不僅勞動強(qiáng)度大，可靠性低，也無法滿足現(xiàn)代煤礦安全生產(chǎn)自動化和信息化的要求[3]。本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC和變頻器的煤礦主扇通風(fēng)系統(tǒng)，利用PLC對主扇通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，大大提高了系統(tǒng)的智能程度和可靠性；采用變頻器來實(shí)現(xiàn)主扇風(fēng)機(jī)的軟啟動，不僅可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的無級調(diào)速，還可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的智能運(yùn)行，從而降低能耗節(jié)約電能，對于提高井下通風(fēng)系統(tǒng)自動化、智能化水平具有重要意義[4]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有兩個(gè)：控制主扇風(fēng)機(jī)和監(jiān)測風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中各種工況參數(shù)。主扇電動機(jī)需要通過變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動和變頻運(yùn)行，可對風(fēng)機(jī)出口壓力和風(fēng)量進(jìn)行變頻調(diào)速，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動做出適應(yīng)，將電機(jī)從變頻運(yùn)行切換至工頻運(yùn)行；通過PLC對變頻器進(jìn)行控制，同時(shí)PLC與上位機(jī)配合實(shí)時(shí)監(jiān)測主扇風(fēng)機(jī)壓力、風(fēng)量、溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)；系統(tǒng)還應(yīng)具有故障診斷和預(yù)警功能，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)通過各類傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行聲光報(bào)警，并進(jìn)行切斷電源等相應(yīng)措施。

系統(tǒng)主要分為三部分。第一部分為上位監(jiān)控層，主要由工控機(jī)和觸摸屏組成，用于各類參數(shù)監(jiān)測值的實(shí)時(shí)顯示和設(shè)備的遠(yuǎn)程控制；第二部分為PLC控制層，該層為系統(tǒng)的核心部分，通過PLC可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)信號的采集、設(shè)備運(yùn)行的控制以及與上位監(jiān)控層的通訊以及故障診斷處理；第三部分為現(xiàn)場設(shè)備層，主要由變頻器和各類傳感器組成，變頻器通過PLC的控制實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的軟啟動和變頻運(yùn)行，傳感器則上傳風(fēng)機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)用于監(jiān)測[5]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件方案的設(shè)計(jì)及選型

PLC控制器是本系統(tǒng)的核心部分之一，本文選用西門子S7-300可編程控制器，S7-300 PLC體積小巧，價(jià)格低廉，擴(kuò)展性能強(qiáng)大，完全滿足本系統(tǒng)的控制需求。PLC的CPU選擇S7-226，該CPU采用24V DC輸入輸出，具有24路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出；電源模塊選用PS305，其輸出電流2 A，輸出電壓24 V DC；數(shù)字輸入模塊選用SM321，可用于各類開關(guān)量信號；數(shù)字量輸出模塊選用SM322，可將PLC內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換為外部信號輸出；模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊分別選用SM331和SM332，主要用于各類傳感器模擬信號的采集和模擬信號的輸出[6]。

變頻器也是本系統(tǒng)的核心部分，選擇變頻器最主要的就是要保證其額定電壓和電流要與風(fēng)機(jī)相匹配，同時(shí)變頻器頻率不能過低，否則會引起電機(jī)溫度過高等問題，造成設(shè)備損壞。本礦井通風(fēng)系統(tǒng)采用一主一備的方式設(shè)置了兩臺軸流風(fēng)機(jī)，每臺風(fēng)機(jī)均由兩臺電動機(jī)驅(qū)動[7]，每臺電動機(jī)均配有一臺變頻器進(jìn)行控制，一臺風(fēng)機(jī)由兩臺變頻器為一組同步運(yùn)行控制，控制原理如圖2所示。

圖2 變頻器控制原理

本文選用施耐德ATV61HC31N4通用型低壓變頻器，額定工作電流555 A，額定電壓380 V，額定功率31 kW，可完全滿足本系統(tǒng)主扇風(fēng)機(jī)的需求，并且可留出一定的余量。

主扇風(fēng)機(jī)溫度監(jiān)測需要兩個(gè)設(shè)備配合完成，在電動機(jī)定子和軸承處安裝有PT100鉑熱電阻，其量程為-50～150℃。鉑熱電阻采集到的溫度模擬信號在傳送到PLC之前需要轉(zhuǎn)換成PLC可識別的電流信號，本系統(tǒng)選用EDA9018溫度采集模塊實(shí)現(xiàn)溫度電流信號的采集，可輸出標(biāo)準(zhǔn)的DC 4～20 mA電流信號。

本文選用Y400-402型壓力傳感器對主扇風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓進(jìn)行監(jiān)測，其測量范圍為0～60 MPa，輸出為標(biāo)準(zhǔn)的DC 4～20 mA電流信號[8]，并且抗干擾能力和穩(wěn)定性能都十分出色，可滿足本系統(tǒng)需求。

主扇風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是本系統(tǒng)的重要監(jiān)測點(diǎn)，本文選用GFW15型礦用風(fēng)速傳感器對風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量進(jìn)行監(jiān)測，其測量范圍為0.4～15 m/s，分辨率為0.1 m/s，測量的基本誤差不超過±0.3 m/s，輸出為標(biāo)準(zhǔn)的DC 4～20 mA電流信號，可完全滿足本系統(tǒng)需求。

電機(jī)在運(yùn)行中會引起振動，如果振動量過高會引起電機(jī)受損甚至損壞，所以對電機(jī)振動量的監(jiān)測也是很有必要的。本文選用GBC80型礦用振動傳感器，工作電壓為10～24 V，工作電流≤30 mA，測量范圍為 0～80 m/s2，測量誤差為±1.6 m/s2，輸出為標(biāo)準(zhǔn)的DC 4～20 mA電流信號。

3 軟件方案的設(shè)計(jì)

當(dāng)PLC接收到啟動信號后，首先將系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入啟動主扇風(fēng)機(jī)的流程，PLC會選擇需要開啟的風(fēng)機(jī)，在風(fēng)機(jī)開啟前，還需要判斷相應(yīng)風(fēng)門的開閉狀態(tài)；系統(tǒng)默認(rèn)1號風(fēng)機(jī)為主用風(fēng)機(jī)，當(dāng)1號風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，2號風(fēng)機(jī)開啟備用；然后系統(tǒng)會跟據(jù)用風(fēng)量判斷是否開啟雙電機(jī)運(yùn)行，如果用風(fēng)量小，只需開啟一臺變頻器控制一臺電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)；變頻器啟動時(shí)，PLC會通過RS485進(jìn)行通信，給定變頻器的啟動頻率，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會自動切換至工頻運(yùn)行；現(xiàn)在變頻器正常運(yùn)行于變頻狀態(tài)，傳感器將采集到的風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)上傳至PLC中，PLC再與上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)交換，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量、振動和溫度等參數(shù)的監(jiān)測就在此步驟中完成，如果有參數(shù)超出閾值，系統(tǒng)會發(fā)出報(bào)警并進(jìn)行停機(jī)等相應(yīng)操作；在正常運(yùn)行中，若1號風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號并開啟2號備用風(fēng)機(jī)，2號風(fēng)機(jī)啟動流程與1號風(fēng)機(jī)相同。系統(tǒng)主流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制主流程圖

在系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，如果發(fā)生火災(zāi)等事故時(shí)，系統(tǒng)會立即執(zhí)行報(bào)警程序，發(fā)出聲光報(bào)警并立刻停止當(dāng)前運(yùn)行中的風(fēng)機(jī)，并執(zhí)行反風(fēng)子程序。當(dāng)系統(tǒng)處于反風(fēng)運(yùn)行模式時(shí)，也需要選擇是單電機(jī)驅(qū)動運(yùn)行還是雙電機(jī)驅(qū)動運(yùn)行，一般在發(fā)生火災(zāi)等重大事故時(shí)，系統(tǒng)會直接投入兩臺變頻器驅(qū)動兩臺電機(jī)運(yùn)行，并給定反風(fēng)頻率，當(dāng)事故結(jié)束后，系統(tǒng)重新恢復(fù)執(zhí)行正常的運(yùn)行程序。反風(fēng)子程序流程如下頁圖4所示。

圖4 反風(fēng)子程流程圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于PLC的煤礦主扇通風(fēng)系統(tǒng)在實(shí)際測試中可對主扇風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、壓力、溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，測量參數(shù)準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性高，主扇風(fēng)機(jī)通過變頻器實(shí)現(xiàn)了軟啟動變頻運(yùn)行，平滑調(diào)速，大大降低了能耗，系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性、自動化程度都得到了提升，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。