基于PLC的主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉元杰

摘 要：主要通風(fēng)機(jī)是現(xiàn)代工礦企業(yè)的重要裝備，通風(fēng)機(jī)能否可靠運(yùn)行，直接關(guān)系到企業(yè)的安全生產(chǎn)，主要通風(fēng)機(jī)是否能建立在線監(jiān)控系統(tǒng)有著十分重要的意義。本論文以礦井主要通風(fēng)機(jī)的工作特點(diǎn)為中心，以PLC為主要控制設(shè)備，講解可編程控制器（PLC）在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用;探討主要通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自控功能的組成部分、系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)硬件的選型以及傳感器的選擇配置。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)機(jī);自動(dòng)控制系統(tǒng);系統(tǒng)硬件選型

1 緒論

1.1 企業(yè)通風(fēng)概況

主要通風(fēng)機(jī)是完成礦井通風(fēng)任務(wù)的主要裝備，擔(dān)負(fù)著往煤礦井下所有巷道、生產(chǎn)一線、輔助系統(tǒng)等持續(xù)輸送新鮮空氣，并將井下粉塵和污濁風(fēng)流排出地面，保障煤礦井下作業(yè)工人的人體健康和安全的重要裝備。所以在現(xiàn)代化信息化日益發(fā)展的今天，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)化的管理，對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)采用在先進(jìn)的在線監(jiān)控技術(shù)，在企業(yè)安全生產(chǎn)中日益起著重要的核心作用。

1.2 主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

①主要通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)和控制低壓配電系統(tǒng)的開(kāi)停狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)的采集和顯示。能夠?qū)χ饕L(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示。對(duì)主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)的電流數(shù)值、電流的不平衡度、有功、無(wú)功、功率因數(shù)、電壓數(shù)值等，確保風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);②實(shí)時(shí)地檢測(cè)主要通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓（包括靜壓力和全壓力）、風(fēng)的速度、風(fēng)量數(shù)值、電機(jī)軸承溫度值、定子的溫度值、電機(jī)的功率、電機(jī)的效率值、風(fēng)機(jī)的效率值、風(fēng)道內(nèi)的空氣濕度、溫度、大氣壓等各種主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的數(shù)值，檢測(cè)風(fēng)機(jī)閘板門(mén)的位置、主要通風(fēng)機(jī)的開(kāi)/停情況、檢測(cè)并接收反風(fēng)時(shí)系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)指令等各種信息，控制主要通風(fēng)機(jī)閘板門(mén)蝶閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，風(fēng)機(jī)電機(jī)的啟動(dòng)和停止;③系統(tǒng)能在控制界面上實(shí)現(xiàn)主要通風(fēng)機(jī)切換的自動(dòng)切換和手動(dòng)切換的選擇，能在控制界面上可靠實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)切換。自動(dòng)切換時(shí)系統(tǒng)能可靠實(shí)現(xiàn)1#、2#風(fēng)門(mén)的開(kāi)啟關(guān)閉、1#、2#蝶閥的開(kāi)啟關(guān)閉以及1#、2#風(fēng)機(jī)一級(jí)電動(dòng)機(jī)二級(jí)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)停止的順序控制以及邏輯互鎖，防止誤操作;④系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)風(fēng)機(jī)電機(jī)的溫度和振動(dòng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)工況參數(shù)的定時(shí)監(jiān)測(cè)，在監(jiān)控界面顯示風(fēng)機(jī)負(fù)壓和軸承溫度等重要參數(shù);⑤系統(tǒng)能以實(shí)時(shí)曲線圖形的方式顯示在線監(jiān)測(cè)量，并能夠轉(zhuǎn)換處理風(fēng)機(jī)的運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，便于查看不同日期、不同時(shí)間段各個(gè)數(shù)據(jù)值的變化情況;并且系統(tǒng)能繪制風(fēng)機(jī)性能參數(shù)曲線;⑥系統(tǒng)能將報(bào)警燈閃爍提示切換到報(bào)警窗口以報(bào)表詳細(xì)顯示;并實(shí)現(xiàn)蜂鳴器鳴叫提示;⑦系統(tǒng)能完成風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)發(fā)布，為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)：搭建企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)，把局域網(wǎng)和主要通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的各種控制裝備接到外部網(wǎng)絡(luò)中。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換裝置將局域網(wǎng)的全部數(shù)據(jù)信息接至外部網(wǎng)絡(luò)。最終通過(guò)以太環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作，并能實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)機(jī)房的無(wú)人值守。

2 主要通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

①系統(tǒng)控制部分的核心在主要通風(fēng)機(jī)值班室內(nèi)安裝了西門(mén)子S7-300，可以完成本系統(tǒng)的邏輯計(jì)算、邏輯閉鎖保護(hù)，主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)收集，和數(shù)據(jù)格式化等多個(gè)方面功能;②系統(tǒng)的通信部分：應(yīng)用的是多點(diǎn)接口（MPI）作為可編程控制器（PLC）和工控機(jī)之間數(shù)據(jù)通訊的橋梁，其物理層是RS-485，采用PROFIBUS連接PLC的MPI端口，以及系統(tǒng)工控機(jī)上面CP5711卡的D型口;③傳動(dòng)部分采用四個(gè)10kV電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)主通風(fēng)機(jī)扇葉，采用兩個(gè)5.5kW、兩個(gè)1.5kW的電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)閘板門(mén)和蝶閥的開(kāi)/閉;④檢測(cè)部分采用各種類型的傳感器、變送器，以及各種數(shù)字量/模擬量智能儀表等裝備。把系統(tǒng)相關(guān)信息傳輸?shù)絇LC的輸入/輸出模塊中以便進(jìn)行后續(xù)處理。

2.2 主要通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)情況的檢測(cè)

①溫度信號(hào)監(jiān)測(cè)：電機(jī)定子溫度以及三相繞組溫度是由裝在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的PT100測(cè)溫電阻測(cè)量轉(zhuǎn)換后得到的，風(fēng)道內(nèi)空氣流的溫度則是由集成一體化的智能溫度變送器檢測(cè)得出，輸出的都是4～20mA電流信號(hào)，把電信號(hào)經(jīng)過(guò)具有屏蔽功能的信號(hào)傳輸電纜傳遞送達(dá)到多回路溫度巡檢儀上，通信輸出：RS485，可以通過(guò)此串口與S7-300的CP340連接;②風(fēng)機(jī)開(kāi)機(jī)/停機(jī)信號(hào)的檢測(cè)：風(fēng)機(jī)開(kāi)停傳感裝置主要應(yīng)用于監(jiān)測(cè)本系統(tǒng)內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備的開(kāi)機(jī)/停機(jī)狀態(tài)，并把采集到的設(shè)備開(kāi)機(jī)/停機(jī)信號(hào)變換成符合系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)傳給可編程控制器（PLC）;③風(fēng)量的檢測(cè)：采用的是普通型渦街流量計(jì)，風(fēng)速變送器進(jìn)行檢測(cè);④主要通風(fēng)機(jī)振動(dòng)參數(shù)的檢測(cè)：采用新型振動(dòng)傳感變送器，將傳統(tǒng)的振動(dòng)感應(yīng)傳感器與精密測(cè)量電子電路融合在一起，實(shí)現(xiàn)了更高精確度的振動(dòng)數(shù)據(jù)量測(cè)量，可與PLC等控制系統(tǒng)直接連接在一起使用;⑤壓力的檢測(cè)：主通風(fēng)機(jī)風(fēng)峒中靜壓、全壓數(shù)據(jù)量的獲取和傳輸。靜壓和全壓兩者的測(cè)量原理和數(shù)據(jù)量獲取技術(shù)基本一致，都是通過(guò)鉆孔取壓，監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇在主通風(fēng)機(jī)側(cè)壁正中間，通過(guò)把得到的壓力數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)新型變送器轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)。HB1151DP2 Ⅲ N0Zd1電容式差壓/絕壓變送器，輸出5～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào);額定壓力4MPa;基準(zhǔn)量程是0～0.125至0～1.5kPa;⑥電氣參數(shù)的檢測(cè)：是指風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載下的電流、空載時(shí)的電流、勵(lì)磁電流、電壓數(shù)值、功率值以及功率因數(shù)。由于主通風(fēng)機(jī)房高壓配電開(kāi)關(guān)柜采用南瑞的綜合保護(hù)裝置，能夠完成相關(guān)電氣數(shù)據(jù)的收集以及系統(tǒng)電路的保護(hù)，并可以通過(guò)CP360和南瑞綜合保護(hù)器的通訊拾取到;⑦系統(tǒng)抗干擾措施：所用變送器為電流輸出，傳遞數(shù)據(jù)使用的是雙絞線雙層屏蔽線纜，可以大幅度地減小電磁耦合效應(yīng)的干擾。由于選用了隔離穩(wěn)壓變壓器，以及超高精度的穩(wěn)壓電源，大大改善了電源的相關(guān)特性。另外還選用了變送器專用電源，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性;⑧系統(tǒng)的通訊：通過(guò)光纖與主通風(fēng)機(jī)房集控室、企業(yè)調(diào)度指揮中心的工控機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，從而達(dá)成對(duì)主要通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)和控制。

3 主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)輸入和輸出的統(tǒng)計(jì)配置

3.1 數(shù)字/模擬輸入點(diǎn)統(tǒng)計(jì)及模塊的選擇

數(shù)字量輸入模塊用來(lái)聯(lián)通外部機(jī)械觸點(diǎn)以及各類傳感器，比如光電開(kāi)關(guān)等，將來(lái)自主通風(fēng)機(jī)上系統(tǒng)以外的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為可編程控制器（PLC）系統(tǒng)以內(nèi)的電信號(hào)，并且還具有濾波的功能，以避免系統(tǒng)以外的觸點(diǎn)抖動(dòng)或干擾脈沖引發(fā)的錯(cuò)誤信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的干擾。通過(guò)數(shù)字量/模擬量輸入數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，可以知道本系統(tǒng)一共有47個(gè)數(shù)字量輸入和50個(gè)模擬量輸入，因此選擇兩塊擁有32個(gè)輸入點(diǎn)的數(shù)字輸入模塊6ES7321-18L00-OAAO，各類模擬量經(jīng)過(guò)處理器可以直接與可編程控制器（PLC）相聯(lián)通，一共兩塊CP340與溫度巡檢儀相連，其余則通過(guò)模擬輸入模塊與之相連，因此我選擇4塊8通道的6ES7331-7KF02-OABO模塊。

3.2 模擬量或數(shù)字量輸出點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)及選擇

輸出模塊用來(lái)驅(qū)動(dòng)接觸器、信號(hào)燈、電磁閥組、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器等相關(guān)負(fù)載，它將內(nèi)部的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制過(guò)程中所需要的外部電信號(hào)，又擁有功率放大、隔離信號(hào)干擾等作用。通過(guò)數(shù)字量/模擬量輸出數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，可知在本系統(tǒng)中共有38個(gè)數(shù)字輸出點(diǎn)，考慮冗余，需配置兩個(gè)數(shù)字輸出模塊，分別是32輸出點(diǎn)的6ES7322-1FL00-OAAO以及16輸出點(diǎn)的6ES7322-1FH00-OAAO模塊。

4 結(jié)束語(yǔ)

在王家?guī)X煤業(yè)，主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的投入運(yùn)行，大大降低了主通風(fēng)機(jī)司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了主通風(fēng)機(jī)及其附屬設(shè)備設(shè)施的自動(dòng)化水平和安全效率，在主通風(fēng)機(jī)突發(fā)停機(jī)事故的情況下，風(fēng)機(jī)的切換時(shí)間從之前的8-10min降低至3-5min，崗位人員配置從之前的每班兩人減少至每班一人。風(fēng)機(jī)的反風(fēng)操作等傳統(tǒng)方式下比較復(fù)雜的操作流程，在新的監(jiān)控系統(tǒng)下也實(shí)現(xiàn)了智能化一鍵操作。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳士東.主扇風(fēng)機(jī)無(wú)人值守自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].青島：山東科技大學(xué)，2006.