PLC技術(shù)在煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

＊何喜慶

（山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司 山西 037100）

在我國的煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效益是兩大核心的重點(diǎn)，煤礦的生產(chǎn)安全應(yīng)用到的設(shè)備設(shè)施有多種類型，其中通風(fēng)機(jī)是基礎(chǔ)設(shè)備之一，建立起煤礦通風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)控系統(tǒng)，可以對通風(fēng)機(jī)的安全狀態(tài)進(jìn)行全面的監(jiān)測，完善煤礦的安全系統(tǒng)功能。利用PLC技術(shù)進(jìn)行煤礦通風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)控活動，可以有效地提高通風(fēng)在線監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制水平，構(gòu)建起智能化的在線監(jiān)測體系，為煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1.煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的重要性

我國有著非常豐富的煤炭資源，廣泛地分布在陜西、內(nèi)蒙古、山西等地區(qū)，分布并不均勻，但是整體的開采量巨大，我國對于能源的需求近幾年來呈現(xiàn)出了上漲趨勢，煤炭資源作為保證國民生產(chǎn)生活的重要資源，近些年來在開采中，逐漸向著深部煤層進(jìn)行了重點(diǎn)的開發(fā)和使用。煤礦生產(chǎn)中，井下作業(yè)環(huán)節(jié)會產(chǎn)生大量的有毒氣體和粉塵，為了創(chuàng)建安全的煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境，促進(jìn)空氣的流動，需要建立起專門針對煤礦井下生產(chǎn)的通風(fēng)系統(tǒng)，將粉塵和有害氣體排出，在煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)構(gòu)建通風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)用到的設(shè)備中，通風(fēng)機(jī)是關(guān)鍵的設(shè)施之一。一旦出現(xiàn)通風(fēng)機(jī)故障，煤礦生產(chǎn)的通風(fēng)系統(tǒng)將會出現(xiàn)停止運(yùn)行的問題，嚴(yán)重威脅著煤礦生產(chǎn)安全。在傳統(tǒng)的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)管理中，通常采取的是定期檢修、定期巡視的方式，這種方法難以及時地發(fā)現(xiàn)風(fēng)險隱患問題，通風(fēng)系統(tǒng)的安全性無法得到有效的保障，以先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)為依托，建立煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)，是保證煤礦生產(chǎn)安全性的關(guān)鍵基礎(chǔ)系統(tǒng)，改進(jìn)了落后的定期檢修維修的模式。通過對煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)和使用，可以有效地挖掘潛在隱患風(fēng)險，提高煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測的準(zhǔn)確性、全面性，保證煤礦生產(chǎn)安全，可以說通風(fēng)機(jī)在整個煤礦生產(chǎn)中作為“心臟”，決定了煤礦生產(chǎn)的安全性，在煤礦的數(shù)字化、智能化建設(shè)中，構(gòu)建起通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)，有效地維護(hù)了煤礦生產(chǎn)安全。

2.PLC技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

（1）編程簡便。PLC技術(shù)有著十分顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，首先體現(xiàn)在了其編程的過程簡單方面，編程的過程簡單，程序方便，使用起來便捷性強(qiáng)，在應(yīng)用PLC技術(shù)的過程中，編程語言簡單，進(jìn)行系統(tǒng)的研發(fā)時投入的時間短，人工成本低，在現(xiàn)場，可以結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用需求進(jìn)行技術(shù)調(diào)整，提高了對PLC技術(shù)的應(yīng)用效能，PLC技術(shù)應(yīng)用具有較強(qiáng)的可靠性，改變了傳統(tǒng)的系統(tǒng)模式中使用繼電器為主的模式。煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控的系統(tǒng)中，按照傳統(tǒng)模式使用繼電器，一旦出現(xiàn)觸電、接觸不完善的問題，將會形成故障問題，運(yùn)用PLC技術(shù)，繼電器被軟件程序所取代，只需要保留一部分的硬件即可。在輸入和輸出硬件的使用中，PLC技術(shù)發(fā)揮了極強(qiáng)的抗干擾優(yōu)勢，可靠性強(qiáng)，即使在部分工業(yè)區(qū)中，也可以直接使用PLC技術(shù)進(jìn)行煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，除工業(yè)區(qū)之外，部分地區(qū)有著較強(qiáng)的電磁干擾問題，使用PLC技術(shù)，可以發(fā)揮出有效的功能，運(yùn)行煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控活動功能[1]。

（2）適應(yīng)性強(qiáng)。PLC技術(shù)的適應(yīng)能力強(qiáng)，經(jīng)過了長時間以來的發(fā)展，我國的煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)中利用PLC技術(shù)，已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗，技術(shù)應(yīng)用體系愈發(fā)穩(wěn)定，構(gòu)建起了標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品生產(chǎn)模式，此類型的產(chǎn)品模塊化、系統(tǒng)化特性增強(qiáng)，配置了完善的配套設(shè)施。按照具體的生產(chǎn)需求，可以在PLC技術(shù)應(yīng)用的過程中，合理地進(jìn)行設(shè)備設(shè)施的選擇和使用，構(gòu)建起功能完善的多元化系統(tǒng)。系統(tǒng)規(guī)模各有不同，但是卻均有著較強(qiáng)的負(fù)載能力，在驅(qū)動過程中，不同的系統(tǒng)和交流接觸器、電磁閥等共同作用，形成了對系統(tǒng)的驅(qū)動，維護(hù)著煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和運(yùn)行穩(wěn)定性。

（3）性價比高。PLC技術(shù)應(yīng)用的性價比較高，因為該技術(shù)應(yīng)用功能強(qiáng)大，和相同種類的電氣設(shè)備相比，PLC技術(shù)的應(yīng)用使得煤礦通風(fēng)及在線監(jiān)控系統(tǒng)可以與通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，實施有效的控制工作，改進(jìn)了繁瑣的程序，實現(xiàn)了集中管理，在分散控制和集中管理的相融合中，發(fā)揮出了較強(qiáng)的性價比優(yōu)勢。以PLC技術(shù)為應(yīng)用基礎(chǔ)，構(gòu)建煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)，例如在我國的沁水峪煌煤業(yè)的安全生產(chǎn)和系統(tǒng)建設(shè)中，使用到了多種不同類型的設(shè)備設(shè)施，構(gòu)建監(jiān)測通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)作業(yè)時，主要采取的是定期巡視的形式。在煤礦通風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中可以發(fā)現(xiàn)，該形式存在著諸多的缺陷問題有待改進(jìn)，監(jiān)測不及時，監(jiān)測中形成了漏洞問題，增加了通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的故障風(fēng)險，故障率有待進(jìn)一步改進(jìn)，以降低故障風(fēng)險，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)很有可能因此而停止運(yùn)行，遠(yuǎn)程監(jiān)控和實時監(jiān)督的功能不完善。在該煤礦的運(yùn)行和發(fā)展中，以PLC技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以形成監(jiān)控的功能。加強(qiáng)對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的實時監(jiān)督，在傳輸平臺上，沁水峪煌煤業(yè)構(gòu)建起了分層次的監(jiān)控體系，見圖1，通過現(xiàn)場的監(jiān)控、中間傳輸過程中的監(jiān)控和后臺的有效處理，完善了通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)和功能[2]。

圖1 通風(fēng)機(jī)PLC監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

3.煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計思路

煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計，需要在安全、可靠、系統(tǒng)化的角度下進(jìn)行合理的規(guī)劃和設(shè)計，考慮到井下實際的情況，需要從系統(tǒng)的角度展開設(shè)計實踐，井下傳感器的數(shù)量多，系統(tǒng)顯示信息需要進(jìn)行及時的更新、完善數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，避免出現(xiàn)信號滯后等問題、形成錯誤的判斷。因此進(jìn)行煤礦通風(fēng)及在線監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計時，需要在組建系統(tǒng)的階段，就以系統(tǒng)的視角進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計，提高系統(tǒng)集成化程度。在設(shè)計系統(tǒng)時，設(shè)計人員需要加強(qiáng)對系統(tǒng)的集中管理，以分散控制為基礎(chǔ)，集中的進(jìn)行管理，在控制權(quán)限優(yōu)先級問題的研究中，提高管理水平，保證系統(tǒng)設(shè)計具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和良好的兼容性，為后續(xù)進(jìn)一步的擴(kuò)展設(shè)備和增加設(shè)備奠定基礎(chǔ)。在成本節(jié)約角度，對比分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的成本和經(jīng)濟(jì)性，其中以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的成本相對更低，而且以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的兼容性良好、速度快，整體的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性強(qiáng)。因此在監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計和規(guī)劃中，選擇以太網(wǎng)控制系統(tǒng)，構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)的框架，其中應(yīng)用到了多種風(fēng)門傳感器和電機(jī)，在系統(tǒng)的運(yùn)行中，采集模擬量，與通訊信號相互兼容。在數(shù)據(jù)采集中，使用輪詢的采集方式，有效地進(jìn)行了數(shù)據(jù)的及時更新，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)滯后的問題，在以太網(wǎng)系統(tǒng)中使用可編程控制器和組態(tài)王上位機(jī)，提高數(shù)據(jù)顯示的穩(wěn)定性。

在系統(tǒng)設(shè)計中，為了完善煤礦通風(fēng)及在線監(jiān)控系統(tǒng)的功能，需要采取現(xiàn)場就地控制的方式，確保在使用該系統(tǒng)時，可以在系統(tǒng)的運(yùn)行中，提高自動化控制的功能，及時進(jìn)行開啟關(guān)停等操作。以PLC技術(shù)為基礎(chǔ)，利用PLC控制柜可以采集系統(tǒng)當(dāng)中的數(shù)據(jù)信息，采取邏輯分析的方式，將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)綜合起來，進(jìn)行運(yùn)用和分析，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。使用冗余設(shè)置的方法，對系統(tǒng)問題進(jìn)行早期處理，一旦發(fā)生系統(tǒng)故障，及時將備用系統(tǒng)啟動，確保監(jiān)控系統(tǒng)的功能完善性、可靠性，為了保證煤礦通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮出煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的有效功能，在不停風(fēng)自動倒機(jī)功能的設(shè)置中，需要將瓦斯超限問題作為重點(diǎn)加強(qiáng)防治。在煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)中，利用PLC控制器的自動倒機(jī)命令功能，提高倒機(jī)的自動化控制水平，具體的設(shè)計中，應(yīng)在傳統(tǒng)的導(dǎo)基模式基礎(chǔ)之上，增加有關(guān)的程序。設(shè)置水平風(fēng)門，合理地做好通風(fēng)通路的設(shè)置方案，見圖2[3]。

圖2 增加水平風(fēng)門通風(fēng)通路

4.PLC技術(shù)在煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

(1)PLC集控設(shè)計

①硬件設(shè)計

同樣是以沁水峪煌煤業(yè)的煤礦生產(chǎn)作業(yè)為例，給該企業(yè)的通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)中共計有兩臺通風(fēng)機(jī)，為了實現(xiàn)高效率的安全生產(chǎn)，其中一臺通風(fēng)機(jī)是備用機(jī)器，在PLC技術(shù)的應(yīng)用中，進(jìn)行集控設(shè)計，其關(guān)鍵在于信息采集模塊和設(shè)備控制模塊，要確保模塊的專業(yè)性，包括DISM321采集模塊、AI SM331采集模塊、DOSM322控制模塊、CP340通信模塊。以DISM321采集模塊為例，在該模塊中進(jìn)行系統(tǒng)信息的采集，系統(tǒng)可以將各個開關(guān)量的信息全面的收集起來，借助DOSM322控制模塊的功能，可以形成啟動或停止等功能，針對操作臺的狀態(tài)指示進(jìn)行管理，實現(xiàn)控制風(fēng)門啟動和風(fēng)門停止的目標(biāo)。在AI SM331采集模塊中，系統(tǒng)可以將不同類型的信息收集起來，將模擬傳感器的信息中的不同類型信息對應(yīng)到合理范圍的標(biāo)準(zhǔn)信號中，進(jìn)行合理地運(yùn)用。CP340通信模塊系統(tǒng)可以在通信形式下。對現(xiàn)場的設(shè)備信息進(jìn)行采集，為整個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口，在設(shè)備信息的采集和使用中，確保在線監(jiān)控系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性[4]。

②軟件設(shè)計

PLC技術(shù)應(yīng)用下的軟件設(shè)計，是煤礦通風(fēng)器在線監(jiān)控系統(tǒng)中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，進(jìn)行軟件流程設(shè)計和規(guī)劃的過程中，設(shè)計人員需要考慮到PLC控制器軟件應(yīng)具備的調(diào)試性功能和良好的穩(wěn)定性、拓展性需求，采取模設(shè)計的方式，將多種程序之間的協(xié)調(diào)關(guān)系利用起來，提高軟件設(shè)置計和運(yùn)行的效果，例如模擬數(shù)據(jù)程序、電力通信程序等。首先要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化的設(shè)置，進(jìn)行對模塊的掃描，將有關(guān)的信息收集起來，由專家處理信息，結(jié)合異常的溫度情況，對比正常的溫度數(shù)據(jù)信息，將其中可能存在的系統(tǒng)問題找到，及時進(jìn)行故障問題的防范和處理。例如軸承受損等問題，均可以通過溫度的變化來進(jìn)行早期的發(fā)現(xiàn)和干預(yù)，在問題鑒別中，可以利用供電參數(shù)的對比分析，及時對其中的問題進(jìn)行防治，例如對照供電參數(shù)，對電纜老化的問題要進(jìn)行早期處理，更換掉已經(jīng)老化的線路，確保煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，在操作頁面顯示出最終的鑒別結(jié)果。當(dāng)發(fā)生異常情況時，要確保煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)具有自我保護(hù)的功能，面對異常情況可以進(jìn)行及時的自我保護(hù)、自我處理，防止出現(xiàn)更嚴(yán)重的事故，引起進(jìn)一步的損失，判斷預(yù)留程序接口，可以進(jìn)行快速的反風(fēng)操作，順利地進(jìn)行井下送風(fēng)，確保軟件控制流程的順利運(yùn)行，投入到使用中，見圖3[5]。

圖3 軟件控制流程

③通信系統(tǒng)設(shè)計

通信系統(tǒng)中涵蓋了兩個類別的程序，分別是采集供配電開關(guān)參數(shù)程序。外界溫度巡檢儀程序，這兩種子程序共同組成通信系統(tǒng)，使用標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議中對波特率的設(shè)定要求，需要將波特率控制在4800bit/s。采取填充處理、分塊處理的方式，對收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效的處理，在數(shù)據(jù)傳輸中，要使用通信收發(fā)程序模塊，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的過程中，要將CP343以太網(wǎng)通信模塊運(yùn)用其中，添加到RI45中，將兩個中心站連接起來，實現(xiàn)集中控制的目標(biāo)，將多個系統(tǒng)結(jié)合起來，完善通信系統(tǒng)的功能[6]。

(2)中心站軟件設(shè)計

中心站軟件設(shè)計，利用到了組態(tài)王，在強(qiáng)大的圖標(biāo)功能和清晰的操作頁面中，中心站的軟件為后續(xù)的二次開發(fā)創(chuàng)造了便利的條件，工作人員可以在軟件系統(tǒng)中，對通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行實時的檢查、密切的觀察，對照電機(jī)參數(shù)和實時參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)其中存在的溫度問題，對不同類型氣體濃度進(jìn)行檢測作業(yè)。中心站軟件設(shè)計中PLC技術(shù)為基礎(chǔ)，一般人員可以準(zhǔn)確地觀察風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，采取點(diǎn)擊查看的方式，對供電系統(tǒng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、告警系統(tǒng)畫面進(jìn)行詳細(xì)的查詢，自動生成有關(guān)的數(shù)據(jù)報表，將報警信息、歷史數(shù)據(jù)等保存起來，為后續(xù)運(yùn)用提供資源支持[7]。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用

以PLC技術(shù)為基礎(chǔ)，煤礦通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)目前已經(jīng)逐步的進(jìn)行了技術(shù)的普及，廣泛地運(yùn)用PLC控制技術(shù)，系統(tǒng)中的應(yīng)用劃分出了幾種不同的模式，在不同的情形下，現(xiàn)場可以靈活地運(yùn)用PLC控制技術(shù)，進(jìn)行對隱患問題的識別。在現(xiàn)場對有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行測量和處理，例如風(fēng)機(jī)入口靜壓、風(fēng)速流量、定子繞組溫度、電機(jī)軸承溫度、電機(jī)輸入電壓、風(fēng)機(jī)效率、風(fēng)機(jī)振動頻率等。例如在有人值守的模式下進(jìn)行隱患的識別，精準(zhǔn)程度高，也可以在無人值守的模式下，以視頻監(jiān)控的模式進(jìn)行在線的監(jiān)管和有效地控制，真正實現(xiàn)了對現(xiàn)場通風(fēng)及情況的在線監(jiān)控目標(biāo)[8]。

5.結(jié)論

綜上所述，PLC技術(shù)應(yīng)用于煤礦通風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)控系統(tǒng)中，具有諸多的應(yīng)用優(yōu)勢，不僅可以靈活地運(yùn)用到在線監(jiān)管系統(tǒng)中，發(fā)揮出有效的監(jiān)控功能和技術(shù)優(yōu)勢，而且煤礦通風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，形成了在設(shè)備運(yùn)行中可能存在的問題和隱患的防治功能，風(fēng)機(jī)運(yùn)行更加的安全，煤礦生產(chǎn)的安全水平大大提升，降低了事故概率，促進(jìn)了我國煤礦產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化、智能化建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展。