基于PLC 的安全通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

弋晨晨

（晉能控股煤業(yè)集團晉華宮礦技術(shù)科， 山西 大同 037016）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)對井下安全開采有重要影響，目前，礦井主通風(fēng)機主要采用模擬儀表對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，需要工作人員定時去現(xiàn)場抄寫表上數(shù)據(jù)，而且通風(fēng)系統(tǒng)不能實時監(jiān)測主通風(fēng)機的通風(fēng)量等關(guān)鍵參數(shù)，監(jiān)測內(nèi)容不全，監(jiān)測結(jié)果不精確[1-2]。因此，要建立一套完整的自動控制通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)，選用FBCDZ No.28/2200 系列的通風(fēng)機，通過設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對通風(fēng)機性能、參數(shù)以及運行狀態(tài)的在線監(jiān)測。

1 通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的總體要求

設(shè)計通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)時，要滿足以下要求：能實時監(jiān)測主通風(fēng)機電機、變頻器等運行參數(shù)，通過上位機監(jiān)控畫面，實時監(jiān)測通風(fēng)設(shè)備的運行狀態(tài)，具有數(shù)據(jù)查詢、報警和記錄等功能；能控制主通風(fēng)機高低壓開關(guān)柜的開閉，對通風(fēng)機的電機繞組溫度進行監(jiān)測，同時，系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；能控制通風(fēng)機的啟停；能同時實現(xiàn)手動、自動、遠(yuǎn)程控制。

2 通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計

通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括主站上位機模塊、PLC下位機模塊、傳感器模塊、電量監(jiān)測模塊以及風(fēng)速監(jiān)測模塊等，其總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

主站上位機模塊包括UPS、打印機和計算機，主要是對監(jiān)控的通風(fēng)機運行參數(shù)、風(fēng)門狀態(tài)、風(fēng)機啟停等進行顯示，便于進行數(shù)據(jù)處理和查詢。

PLC 下位機模塊包括電源、CPU、輸入輸出單元、通信單元等，主要采用西門子S7-300 可編程控制器，該控制器具有較強的抗干擾能力，能在各種復(fù)雜的工況下工作，系統(tǒng)配置合理，操作維護方便，能滿足現(xiàn)場的使用要求。

現(xiàn)場傳感器模塊主要包括壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等傳感器，將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號，然后傳輸給CPU。為了減少傳輸過程中的誤差，提高監(jiān)測精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用有變送器、標(biāo)準(zhǔn)電流信號 4～20 mA、電壓信號 0～5 V 的傳感器，現(xiàn)場使用二線制RVVP 電纜進行單獨傳輸信號。

電量監(jiān)測模塊應(yīng)用電磁隔離和光電隔離技術(shù)，采用EDA9033 型電量監(jiān)測模塊，實現(xiàn)對電壓和電流輸入輸出的完全隔離，使用TCP/IP 協(xié)議連接電量監(jiān)測模塊和PLC 模塊，采集三相電流和三相電壓、功率等數(shù)據(jù)[3]。

風(fēng)速監(jiān)測模塊是通過測量風(fēng)道上下側(cè)的壓差來進行監(jiān)測，氣流通過局部變截面時會產(chǎn)生風(fēng)量損失壓差，風(fēng)量信號的大小與氣流的紊亂和局部變化有關(guān)，采用高精度的測速儀表來測量不同工況下的風(fēng)量大小，通過監(jiān)測局部變化產(chǎn)生的靜壓差來確定風(fēng)量與差壓的關(guān)系，從而實現(xiàn)對風(fēng)速的在線監(jiān)測。

3 通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)中的硬件主要使用的是PLC 模塊，由于PLC 具有多輸入多輸出、體積小、能耗低、靈敏度高等優(yōu)點，能滿足井下復(fù)雜的工作環(huán)境。西門子系列的PLC 基本組成如下頁圖2 所示。

通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)中各類現(xiàn)場傳感器模塊是將各自采集到的信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA 的直流電流信號和0～5 V 的直流電壓信號；溫度測量模塊用來采集工作中主通風(fēng)機的溫度信號；電量測量模塊用來采集開關(guān)柜的功率信號，通過RS485 接口與計算機通訊；PLC 可編程控制器包括開關(guān)量和模擬量輸入輸出模塊，其中，模擬量輸入輸出模塊用來采集主通風(fēng)機的壓力、振動、頻率信號，開關(guān)量輸入輸出模塊用來采集輔助開關(guān)信號，現(xiàn)場總線采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊來連接。在計算機接收到控制指令后，通過PLC 開關(guān)量輸出模塊，將信號輸出給中間繼電器，通過繼電器將信號輸入到電機和控制回路中，驅(qū)動各個控制對象來運動，同時，通過PLC 模擬量輸出模塊，給定變頻器頻率，通過在線調(diào)節(jié)主通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)能耗的降低[4]。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及系統(tǒng)組成

3.2 軟件設(shè)計

通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分采用結(jié)構(gòu)化編程的方法來編寫，為了實現(xiàn)通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)的自動控制和監(jiān)測，將整個系統(tǒng)軟件部分分成若干個子系統(tǒng)，總系統(tǒng)按照控制順序調(diào)用各個子系統(tǒng)，系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3 所示，設(shè)置有手動和自動兩種控制模式，在手動模式下，通過手動控制程序來實現(xiàn)主通風(fēng)機的正常運行，在自動模式下，判斷1 號主通風(fēng)機是否啟動，如果啟動，通過控制風(fēng)門，選擇控制模式，給定變頻器頻率驅(qū)動主通風(fēng)機運行，同時監(jiān)測風(fēng)機的參數(shù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與給定數(shù)據(jù)比較，在出現(xiàn)故障時，要先將故障排除，從而實現(xiàn)主通風(fēng)機的正常運行。

通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)的子程序主要包括主通風(fēng)機控制子程序、PID 調(diào)節(jié)子程序、供電系統(tǒng)控制子程序、模擬量采集子程序等，以風(fēng)量調(diào)節(jié)為例，對風(fēng)量的PID 調(diào)節(jié)子程序如圖4 所示，在對風(fēng)量進行調(diào)節(jié)時，首先給主通風(fēng)機設(shè)定風(fēng)量初始值，然后讀取控制器反饋的風(fēng)量值，將反饋值與初始值進行求差，得到偏差值，在PID 控制器的作用下，計算出工作所需的風(fēng)量。

圖3 軟件流程圖

圖4 風(fēng)量PID 調(diào)節(jié)流程圖

4 應(yīng)用效果

將通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在井下開采過程中，根據(jù)設(shè)計的通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)，真實地反映了井下通風(fēng)機的工作狀況，采集和監(jiān)測的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，系統(tǒng)運行可靠性較高，為井下工作人員提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在出現(xiàn)故障時，及時采取措施進行補救，系統(tǒng)的自動化程度大大提高，井下通風(fēng)安全性能得到改善，同時，監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提升系統(tǒng)的數(shù)字化和自動化水平。

5 結(jié)論

1）對監(jiān)測系統(tǒng)進行總體設(shè)計，從軟硬件設(shè)計兩方面進行分析，通過比較測量值與給定值，及時調(diào)節(jié)控制參數(shù)，實現(xiàn)通風(fēng)機的正常運行。

2）將通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在井下開采工作中，結(jié)果表明，通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)能真實地反應(yīng)井下通風(fēng)機的工作狀況，采集和監(jiān)測的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，系統(tǒng)運行可靠性較高，系統(tǒng)的自動化水平明顯提高。