基于PLC的礦用通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

李 陽(yáng)

（山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)公司，山西忻州 036000）

0 引言

煤礦作為我國(guó)重要的能源之一，關(guān)系著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。井下采礦作業(yè)中，有諸多影響生產(chǎn)安全的重要因素，而保證井下良好通風(fēng)乃重中之重[1]。而礦用通風(fēng)機(jī)便是保證井下通風(fēng)的關(guān)鍵設(shè)備，擔(dān)任著向井下輸送新鮮空氣的重任，還能夠?qū)⒎蹓m和有害氣體排出。通風(fēng)機(jī)一旦發(fā)生故障，井下有害氣體濃度升高，且氧氣不足，將直接影響人身安全?？梢?jiàn)配備一套穩(wěn)定可靠的通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)十分關(guān)鍵[2]。然而，目前市場(chǎng)上的礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)太過(guò)簡(jiǎn)單，監(jiān)控范圍不全面，監(jiān)控力度較弱，還滿足不了煤礦生產(chǎn)的發(fā)展需求。改變?cè)斜O(jiān)控的模式，不斷提高礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控水平，才能真正地保證井下作業(yè)的安全運(yùn)行。如今，在科技不斷發(fā)展的成果下，礦用設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)逐步成熟且有很好的效果，監(jiān)控系統(tǒng)方面都采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，搭配成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)，達(dá)到了在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)功能，這也將是礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 礦用通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

礦用通風(fēng)系統(tǒng)是通風(fēng)方式、通風(fēng)方法和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的總稱，通風(fēng)系統(tǒng)主要由通風(fēng)機(jī)和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)組成[3]。礦井通風(fēng)系統(tǒng)利用各種通風(fēng)設(shè)備，將地表面空氣按著既定路線源源不斷地送到井下，同時(shí)將井下渾濁的空氣排到地面，還要嚴(yán)格保證井下各類有害氣體濃度被相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所允許。此外，通風(fēng)系統(tǒng)還可以調(diào)節(jié)井下溫度，改善井下工作環(huán)境。

礦用主通風(fēng)系統(tǒng)具體包括了通風(fēng)機(jī)、風(fēng)門、風(fēng)井等，其中主通風(fēng)機(jī)是核心部件，自然也是監(jiān)控系統(tǒng)的首要對(duì)象。主通風(fēng)機(jī)主要分為離心式和軸流式兩種[4]。

（1）離心式通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、容易維修，但體積大，且不能直接連接電動(dòng)機(jī)。特性曲線平穩(wěn)，常用于風(fēng)量變化大但阻力變化小的礦井；風(fēng)量調(diào)節(jié)方面，多利用閘門進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，但成本高，且操作麻煩；反風(fēng)方面，沒(méi)有反風(fēng)道則無(wú)法反風(fēng)；聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)方面，多臺(tái)并聯(lián)使用具有較高的穩(wěn)定性[5]。

（2）軸流式通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小且輕、高轉(zhuǎn)速，可以直接相連電動(dòng)機(jī)，因此具有較高的傳動(dòng)效率，但這種類型的通風(fēng)機(jī)機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，且各零部件都裝在機(jī)殼內(nèi)，導(dǎo)致檢、維修不便[6]。高轉(zhuǎn)速也導(dǎo)致個(gè)別零部件易損壞，故障較多且噪聲大，需配備消音設(shè)備。特性曲線較陡，因而適合阻力變化大且風(fēng)量變化小的礦井；改變?nèi)~片的安裝角度、級(jí)數(shù)、數(shù)量和倒流器等方法可以調(diào)節(jié)風(fēng)量，簡(jiǎn)單可行，經(jīng)濟(jì)性能較好。與離心式相反，多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)定性較差。

2 通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC的選擇

PLC的選擇原則：（1）估算I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)應(yīng)有足夠的余量備用；（2）適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器容量；（3）具有運(yùn)算、控制和通信等功能?；谶@些原則，本文選擇西門子旗下的S7-300系列PLC，是一款模塊化的成熟PLC，能夠滿足通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的基本需求[7]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S7-300系列PLC的結(jié)構(gòu)

S7-300主要功能：（1） 快速處理指令，約 0.1～0.6 μs；（2）優(yōu)秀的界面，集成了人機(jī)界面，使得操作方便快捷；（3）具有診斷功能，能夠監(jiān)控通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的功能是否正常運(yùn)行；（4）多級(jí)口令保護(hù)，能有效防止機(jī)密泄漏和程序篡改。

2.2 各功能模塊的實(shí)現(xiàn)

（1）輸入模塊

S7-300的PLC自帶的數(shù)字量輸入模塊即可將變送器采集的電平形式的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC所需的內(nèi)部信號(hào)電平。

（2）輸出模塊

S7-300的PLC所帶數(shù)字量輸出模塊將輸出0-1的開(kāi)關(guān)信號(hào)并以此來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，同時(shí)還具有隔離和功率放大功能。

（3）通信模塊

S7-300所帶CP340通信模塊，該模塊與其余的綜合保護(hù)裝置通過(guò)接口RS485完成問(wèn)答式的通信過(guò)程。

（4）CPU模塊

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)所需要的電流和功耗，本文選擇CPU314C-DP的CPU模塊，它具有兩種通訊端口MPI和DP。

（5）電源模塊

該模塊的額定輸出功率必須大于其他所有模塊所消耗功率的總和，并保證大約30%的余量，綜合考慮本文選擇PS307 10A這款電源模塊。

3 通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)用于S7-300相配套的編程軟件STEP7進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，該軟件通用于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，且支持多種語(yǔ)言和方式，多項(xiàng)功能也為軟件設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便[8]：（1）適用于各個(gè)控制系統(tǒng)，可用于管理所有數(shù)據(jù)；（2）能夠管理共享符號(hào)，并支持導(dǎo)入、導(dǎo)出和編輯；（3）多項(xiàng)硬件組態(tài)功能，例如可編輯的控制器、賦值操作等；（4）多種編輯語(yǔ)言，LAD、STL、FBD等；（5）診斷功能，指示各個(gè)模塊是否運(yùn)行正常。

圖2所示為監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖，以下主要介紹通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思路。通風(fēng)機(jī)的控制部分涵蓋了PLC控制和電氣控制，硬件部分則是變頻器、風(fēng)機(jī)、管道及傳感器等。首先變頻器帶動(dòng)主通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，傳感器獲取管道中的壓力信號(hào)，再途經(jīng)計(jì)算控制變頻器，最終送至控制系統(tǒng)。傳感器傳遞的信號(hào)到達(dá)上位機(jī)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，這時(shí)PID控制系統(tǒng)會(huì)向PLC傳遞相應(yīng)的信號(hào)。而PLC得到數(shù)模模塊轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)，便能對(duì)變頻器的啟停以及頻率進(jìn)行控制，這就是對(duì)通風(fēng)機(jī)電壓和頻率控制的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的控制。這一系列控制組成了通風(fēng)機(jī)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控主通風(fēng)機(jī)，以最終滿足井下的通風(fēng)要求。例如當(dāng)管路中流量過(guò)大時(shí)會(huì)造成管路的壓力過(guò)大，閉環(huán)反饋系統(tǒng)將向變頻器發(fā)出一個(gè)信號(hào)，要求減少通風(fēng)機(jī)的輸出，并隨即降低通風(fēng)機(jī)的電壓和頻率，這便達(dá)到了降低管路流量和壓力的目的，從而達(dá)到流量和壓力的平衡，相反流量和壓力過(guò)小也遵循此反饋流程。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)是使礦用通風(fēng)始終保持在正常的安全水平，達(dá)到保障井下安全的目的。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

通風(fēng)機(jī)是保證煤礦作業(yè)安全的核心設(shè)備，其運(yùn)行情況關(guān)系著生產(chǎn)與人身安全，因此可靠有效地監(jiān)控通風(fēng)機(jī)十分重要且必要。本文所研究的監(jiān)控系統(tǒng)集合了先進(jìn)的傳感器、變送器等裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)機(jī)和關(guān)聯(lián)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。結(jié)合通風(fēng)機(jī)的工作運(yùn)行情況和井下作業(yè)環(huán)境的需求，設(shè)計(jì)了一款基于S7-300系列PLC的礦用通風(fēng)機(jī)能監(jiān)控系，主要分析研究了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)硬件選擇和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能，并搭載了人機(jī)界面，具有優(yōu)良的可操作性和實(shí)用性，使得通風(fēng)機(jī)的監(jiān)控更加直觀有效。這一系統(tǒng)可以提高礦用通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)化水平，提升了井下的作業(yè)安全，為煤礦生產(chǎn)保駕護(hù)航。