PLC 通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

辛莉蓉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)采用2 臺通風(fēng)機(jī)，一用一備，2臺設(shè)備都是采用單獨(dú)的供電線路，系統(tǒng)的分散設(shè)備較多，采用就地控制方式，設(shè)備間隔較遠(yuǎn)，在突發(fā)情況下啟動備用主通風(fēng)機(jī)，在就地控制點(diǎn)之間來回切換造成操作速度慢，使風(fēng)機(jī)啟動時間延長，加上監(jiān)控系統(tǒng)過于簡單，通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時的部分關(guān)鍵參數(shù)都是通過人工分析和處理，這樣就大大降低了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和時效性，存在一定的安全隱患[1-2]。因此，設(shè)計(jì)一種基于PLC 的通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過PLC 對通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，在出現(xiàn)故障時及時報警，保證通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 系統(tǒng)整體組成

由于監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器數(shù)量較多，如果不能及時更新會使信號滯后，導(dǎo)致操作人員對信息做出錯誤判斷。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，要優(yōu)先考慮系統(tǒng)的集成度，同時考慮控制權(quán)限的優(yōu)先級，實(shí)現(xiàn)分散集中控制[3-4]?；赑LC 的自動監(jiān)控系統(tǒng)包含遠(yuǎn)程管理監(jiān)控層、設(shè)備控制層和現(xiàn)場設(shè)備層3 層，監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1。遠(yuǎn)程管理監(jiān)控層主要是進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，上位機(jī)通過WinCC 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理、監(jiān)視和報警；設(shè)備控制層主要采用PLC，通過輸入/輸出模塊實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制；現(xiàn)場設(shè)備層主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過各類傳感器實(shí)現(xiàn)對各類信號的采集和處理。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主控電路包含3 臺電機(jī)，其中試驗(yàn)風(fēng)門電機(jī)1 臺，液壓泵站電機(jī)2 臺。風(fēng)門電機(jī)的正反轉(zhuǎn)是通過接觸線圈KM1 和KM2 來控制的，液壓泵站電機(jī)正反轉(zhuǎn)是通過接觸線圈KM3 和KM4來控制的，液壓站加熱是通過接觸線圈KM5 來控制的。系統(tǒng)運(yùn)行時，R3 電阻的功率可達(dá)5 kW。主控電路設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)

在主控制器的選型上，首先要確定傳感器的數(shù)量以及巡檢的路數(shù)，設(shè)計(jì)冗余，便于后續(xù)對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行拓展。此次選擇S7-300 型PLC 控制器[5]，系統(tǒng)的硬件主要包括電源模塊、CPU 模塊、接口模塊、輸入輸出模塊、功能模塊等。其中，外界動力系統(tǒng)的電壓經(jīng)電源模塊轉(zhuǎn)換成24 V 的直流電給CPU 和負(fù)載電路提供電源，CPU 采用SM313-2DP型，不含內(nèi)置裝載存儲器，自帶PROFIBUS-DP 通信接口，通過協(xié)議和其他的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。輸入輸出模塊是聯(lián)系CPU 和現(xiàn)場設(shè)備的橋梁，使不同級別的過程信號和PLC 內(nèi)部信號之間的電平相匹配。由于通風(fēng)系統(tǒng)的外圍設(shè)備比較多，需要實(shí)時監(jiān)控多個點(diǎn)的參數(shù)，因此，使用3 組8 路模擬量輸入模塊、3 組32 路數(shù)字輸入模塊和1 組32 路數(shù)字輸出模塊。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中使用的傳感器類型較多，為了確保傳感器的安全性，傳感器都帶有隔爆功能，壓力傳感器使用APG-LC100 型，溫度傳感器使用GWP100（D）型，振動傳感器使用GB20 型，風(fēng)量傳感器使用KGF2 型[6-7]。各類傳感器將檢測到的信息實(shí)時傳輸?shù)娇刂破髦羞M(jìn)行分析和處理，以判斷當(dāng)前通風(fēng)機(jī)的狀態(tài)是否在安全閾值內(nèi)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)PLC 程序設(shè)計(jì)

對通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)啟動后，首先進(jìn)行參數(shù)初始化，上位機(jī)收集下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)，包括電力參數(shù)、故障處理參數(shù)、風(fēng)機(jī)啟停參數(shù)[8]。判斷油位是否滿足要求，如果不滿足，立即啟動油泵進(jìn)行供油。油位滿足要求后，再判斷風(fēng)門是否滿足要求，如果不滿足，立即下達(dá)指令開啟風(fēng)門；如果滿足，啟動風(fēng)機(jī)正常工作，同時判斷通風(fēng)機(jī)是否存在故障，如果有故障及時進(jìn)行處理。通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3。

圖3 通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主流程圖

當(dāng)主通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時，要在第一時間內(nèi)啟動備用通風(fēng)機(jī)，因此，備用通風(fēng)機(jī)的啟?？刂瞥绦蚓头浅Ｖ匾?，控制程序流程圖如圖4。在判斷主通風(fēng)機(jī)停止工作后，開啟備用通風(fēng)機(jī)，對油站壓力、油站液位、定子繞組溫度、電機(jī)軸承溫度等參數(shù)是否正常進(jìn)行判斷。在各個參數(shù)都正常后啟動備用通風(fēng)機(jī)。

圖4 備用通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)啟?？刂屏鞒虉D

主通風(fēng)機(jī)和備用通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，都要實(shí)時監(jiān)測和采集狀態(tài)數(shù)據(jù)。在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置各類采集數(shù)據(jù)的安全范圍，當(dāng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)大于安全范圍后，系統(tǒng)會自動判斷通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)安全隱患和故障，并將故障問題顯示在上位機(jī)上，發(fā)出警報。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要將PLC 與上位機(jī)進(jìn)行通信。上位機(jī)使用WinCC 組態(tài)軟件[9]，通過圖形編輯器將采集的信息進(jìn)行直觀顯示。系統(tǒng)接入上位機(jī)監(jiān)控軟件后，與上位工控機(jī)通信，使系統(tǒng)具有自動控制功能，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的無人值守。上位機(jī)監(jiān)控界面如圖5。

圖5 上位機(jī)監(jiān)控界面

4 效果分析

將設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在永定莊煤業(yè)公司進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間，共出現(xiàn)報警21 次，包括振動報警7 次，溫度報警6 次，其他故障報警8 次。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動切換，根據(jù)工作面實(shí)際通風(fēng)情況，通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)通風(fēng)量的大小，為企業(yè)節(jié)省能源消耗費(fèi)用，保證通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在使用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)前，為了確保通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全可靠性，需要專人值班看守通風(fēng)機(jī)，在使用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)后，不需要專人看守通風(fēng)機(jī)，只需巡邏人員對通風(fēng)機(jī)進(jìn)行巡邏即可，降低了人員數(shù)量。

5 結(jié)論

（1）所設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在總體上包含3 層，不同的層級有不同的作用，相互配合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的各項(xiàng)功能。使用S7-300 型PLC 作為主控制器，通過各類隔爆型傳感器對系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，完成控制工作。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在工作過程中，可以實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)啟停的精準(zhǔn)控制，保障通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，對設(shè)備運(yùn)行過程中安全隱患和故障進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)故障時及時顯示在上位機(jī)上，并發(fā)出警報。

（3）將通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，取得了較好的效果。在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間，共出現(xiàn)報警21 次，包括振動報警7 次，溫度報警6 次，其他故障報警8 次。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)大大提升了通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，保障了礦井的安全，為企業(yè)節(jié)省了能源和人力成本，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益。