礦井主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

王玉豪

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 通風(fēng)部，山西 太原 030053)

0 引言

礦井主通風(fēng)機(jī)作為煤礦中最重要的通風(fēng)設(shè)備，又被稱為“煤礦之肺”，主通風(fēng)機(jī)的可靠運(yùn)行是保證煤炭開采作業(yè)正常安全進(jìn)行的必要前提[1，2]。由通風(fēng)機(jī)為主要設(shè)備所構(gòu)成的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的主要任務(wù)是向井下運(yùn)送新鮮空氣，并控制井下有害氣體、瓦斯及粉塵的濃度，如果通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生故障，將會(huì)給井下生產(chǎn)作業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患[3]。因此針對(duì)通風(fēng)機(jī)建立一套安全、可靠、智能的監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)對(duì)提高煤炭生產(chǎn)的效率和安全性具有重要意義。

我國(guó)早期煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的供電方式大多采用單電源回路，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，可靠性低下，時(shí)常發(fā)生意外斷電斷風(fēng)等問題，極易造成井下有害氣體或粉塵濃度急劇增大，給井下煤炭開采作業(yè)帶來(lái)十分嚴(yán)重的安全隱患；同時(shí)相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)在通風(fēng)環(huán)節(jié)出現(xiàn)意外時(shí)無(wú)法保證故障信息的及時(shí)上傳，風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)精度及響應(yīng)速度普遍低下，無(wú)法實(shí)時(shí)掌握主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，且風(fēng)機(jī)的控制操作繁瑣復(fù)雜，無(wú)法在主通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障被迫停機(jī)時(shí)及時(shí)切換至備用風(fēng)機(jī)保障井下通風(fēng)，不能滿足目前煤礦智能化監(jiān)控的需求。雖然目前國(guó)內(nèi)已對(duì)礦井通風(fēng)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究及改進(jìn)，但由于國(guó)外對(duì)先進(jìn)通風(fēng)監(jiān)控設(shè)備及技術(shù)的壟斷，導(dǎo)致我國(guó)煤炭開采智能化的發(fā)展受到嚴(yán)重制約[4]。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于PLC的礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下主通風(fēng)機(jī)高效控制與在線監(jiān)測(cè)一體化，詳細(xì)描述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成與軟件設(shè)計(jì)，對(duì)于提高井下通風(fēng)設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制智能一體化具有一定指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

通風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化方式構(gòu)建，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，系統(tǒng)的控制對(duì)象為一主一備兩臺(tái)礦井通風(fēng)機(jī)，兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)互為備用，通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)均為對(duì)旋軸流式，可在低功耗條件下實(shí)現(xiàn)風(fēng)量、風(fēng)壓的高效靈活調(diào)節(jié)。通風(fēng)機(jī)的工作方式選擇最普遍的抽出式，將兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)置于回風(fēng)井口，通過(guò)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)回風(fēng)井口所產(chǎn)生的負(fù)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣的交換。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)按照功能可劃分為PLC控制模塊、上位機(jī)監(jiān)控模塊、遠(yuǎn)程調(diào)度模塊、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊和運(yùn)行參數(shù)采集模塊五部分。以PLC S7-300為核心的控制模塊是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的中樞，用于上傳下達(dá)傳感器采集到的各類通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)并根據(jù)控制要求對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整和監(jiān)測(cè)，主站PLC與從站PLC采用RS485進(jìn)行通訊；上位機(jī)監(jiān)控模塊用于實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)的狀態(tài)參數(shù)并下達(dá)各類操作指令；遠(yuǎn)程調(diào)度模塊為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)器，用于遠(yuǎn)程測(cè)量和記錄通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)[5]；風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊主要由變頻器、電動(dòng)機(jī)和相應(yīng)的控制柜組成，用于實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的供電及PID控制；運(yùn)行參數(shù)采集模塊主要用于主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓、繞組溫度、風(fēng)機(jī)振幅及電參數(shù)等運(yùn)行參數(shù)的采集和上傳。

1.2 系統(tǒng)控制原理

圖2為通風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。由圖2可知，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)采用負(fù)反饋控制結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先由上位機(jī)系統(tǒng)向PLC發(fā)送開機(jī)指令至變頻器并通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)；在主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行參數(shù)采集模塊中的各類傳感器會(huì)將風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)收集并傳輸至PLC中；當(dāng)上位機(jī)接收到由傳感器采集的信號(hào)時(shí)，由上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，并向PLC輸出PID調(diào)節(jié)信號(hào)；此時(shí)PLC將上位機(jī)系統(tǒng)傳輸而來(lái)的控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為變頻器可識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)變頻器的頻率調(diào)節(jié)及啟?？刂?，并進(jìn)一步調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)管道內(nèi)風(fēng)量及風(fēng)壓過(guò)大時(shí)，通過(guò)該閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)即可向變頻器輸出相應(yīng)信號(hào)將輸出降低，從而降低通風(fēng)機(jī)的電壓與頻率，緩解管路系統(tǒng)的風(fēng)量與壓力，反之同理。通過(guò)該閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)井下通風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)并維持到合理數(shù)值，保障井下作業(yè)的安全。

圖2 通風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 硬件方案設(shè)計(jì)及選型

該監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分主要為三個(gè)主從站PLC、用于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)采集的各類傳感器、用于標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的各類變送器以及用于監(jiān)測(cè)保護(hù)的綜保裝置，上述核心硬件設(shè)備的合理選用是保證系統(tǒng)控制及采集參數(shù)可靠性的關(guān)鍵，因此需要進(jìn)行合理選型。PLC在選型時(shí)不僅要考慮處理器的計(jì)算速度、存儲(chǔ)容量及接口數(shù)，還需要綜合考慮成本及適應(yīng)性。本系統(tǒng)選用西門子S7-300可編程控制器，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，運(yùn)算速度達(dá)0.1 μs～0.6 μs，并且其結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，其CPU、電源模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、通訊模塊、接口模塊等可自由組合擴(kuò)展，適用于中小型控制系統(tǒng)，完全能夠滿足本系統(tǒng)的需求[6]。

風(fēng)壓監(jiān)測(cè)選用PT124B-3501型微差壓變送器，通過(guò)在通風(fēng)機(jī)入口處鉆孔并安裝壓力管來(lái)獲取風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的靜壓、動(dòng)壓及全壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)上傳至PLC中。

風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)用來(lái)測(cè)量由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、零件間摩擦等原因所產(chǎn)生的振動(dòng)問題，本系統(tǒng)選用JM-B-39一體化振動(dòng)變送器，其測(cè)量的振幅峰峰值范圍為0 μm～500 μm，測(cè)量精度可達(dá)0.5級(jí)，線性誤差≤±0.5%，相應(yīng)輸出為標(biāo)準(zhǔn)4 mA～20 mA電流信號(hào)，且器件可安裝于風(fēng)機(jī)前后軸承處。

電動(dòng)機(jī)繞組與軸承的溫度監(jiān)控對(duì)于風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[7]。本系統(tǒng)選用PT100溫度傳感器對(duì)電機(jī)溫度信號(hào)進(jìn)行采集，再通過(guò)溫度變送器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號(hào)傳輸至PLC的DB模塊中，再經(jīng)PLC通過(guò)以太網(wǎng)通訊至上位機(jī)顯示界面將溫度參數(shù)實(shí)時(shí)顯示。

通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓、電流及功率等電參數(shù)作為衡量風(fēng)機(jī)性能及運(yùn)行穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，也需要通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)選用HDFJ-3X型風(fēng)機(jī)智能綜合保護(hù)裝置對(duì)電參數(shù)進(jìn)行采集并實(shí)現(xiàn)設(shè)備線路保護(hù)，電參數(shù)通過(guò)PLC通訊模塊與綜保裝置連接進(jìn)行傳輸。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程圖

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)初始化及自檢過(guò)程，無(wú)誤后對(duì)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)模式進(jìn)行判斷，如需手動(dòng)控制則切換至手動(dòng)模式進(jìn)行操控即可；進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行后，向1#主通風(fēng)機(jī)下達(dá)啟動(dòng)指令，并對(duì)1#、2#號(hào)風(fēng)機(jī)的電動(dòng)蝶閥開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)1#風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)的1#風(fēng)機(jī)蝶閥應(yīng)處于開啟狀態(tài)，2#風(fēng)機(jī)蝶閥應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)；蝶閥狀態(tài)確認(rèn)正確后，設(shè)置1#主風(fēng)機(jī)的變頻器頻率并開啟，驅(qū)動(dòng)M11、M12號(hào)電機(jī)運(yùn)行，此時(shí)1#主風(fēng)機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，由運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊對(duì)其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和上傳，再通過(guò)PLC與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集交換，并通過(guò)上位機(jī)顯示屏實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)；當(dāng)1#主通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障后，監(jiān)控系統(tǒng)將自動(dòng)切換至備用2#風(fēng)機(jī)完成倒風(fēng)機(jī)操作，保證井下通風(fēng)的正常進(jìn)行，2#備用風(fēng)機(jī)啟動(dòng)程序流程與1#風(fēng)機(jī)相同。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的礦井主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際測(cè)試可在3 min內(nèi)完成主備用風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換操作，且單臺(tái)通風(fēng)機(jī)啟?？刂茣r(shí)間極短，滿足控制需求；在24 h連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)可對(duì)主通風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量與顯示，且各性能指標(biāo)良好，實(shí)現(xiàn)了主通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)與控制智能一體化的設(shè)計(jì)。