礦井通風除塵試驗裝置及PLC監(jiān)控系統(tǒng)設計研究

孫云龍

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團神角煤業(yè)有限公司 山西省臨汾市 042100）

1 引言

通風除塵裝置在礦山生產(chǎn)過程中有著極為關鍵的地位，正式生產(chǎn)時主扇風機通電運作，不斷向井下供給新鮮空氣，以保持井下氧氣充足，同時抽取掘進面、工作面等處產(chǎn)生的粉塵、炮煙送至地面，避免有毒有害氣體過度堆積，造成休克、缺氧等安全事故。由于通風除塵裝置重要性顯著，因此設計、運行環(huán)節(jié)必須保障可靠性和穩(wěn)定性，相關設備一旦出現(xiàn)長時間故障停運，就可能造成有害氣體濃度上升，井下氧氣不足，甚至是瓦斯聚集爆炸等問題，嚴重影響礦山的正常生產(chǎn)?？v觀現(xiàn)有礦井通風裝置，會發(fā)現(xiàn)很多仍舊存在系統(tǒng)結構簡單、監(jiān)測能力欠缺的情況，采集的數(shù)據(jù)精確性不佳，自動化調(diào)節(jié)監(jiān)控滯后，很難滿足現(xiàn)實生產(chǎn)需求。

近年來我國經(jīng)濟增速放緩、科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以自動化、智能化為方向的研究成果涌現(xiàn)出來，為該種矛盾的緩和提供了不少可行思路，其中孫建兵[1]以總線掛接式結構為基礎，引入CAN總線通信方式，在傳感器、總控臺之間建立連接，實現(xiàn)了實時化通信和監(jiān)測數(shù)據(jù)收集，光纖通信的應用使得誤碼率明顯降低；郭建[2]則基于無線WiFi環(huán)境開發(fā)智能監(jiān)控系統(tǒng)，融合PLC進行抗干擾處理，外圍電路、溫控程序等一應俱全，可以為制動調(diào)控提供幫助；Bi QiuPing等[3]重點關注了自動化控制算法設計問題，借助R型聚類、變異系數(shù)法等，確定了通風評價的系統(tǒng)性指標體系。本文綜合已有研究成果，引入PLC技術對礦井通風監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，從裝置選型、電路配備、軟硬件設計、交互界面設計等方面闡明思路，整個過程更加具體和全面。

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 結構框架設計

梳理系統(tǒng)框架時，需要緊密圍繞實際需求開展，對于礦井生產(chǎn)活動來說，需要監(jiān)測的對象是十分多樣的，比如風壓風速、有害氣體、風機運行狀態(tài)等，因此結構前端應當設置專門的傳感器模塊，數(shù)據(jù)采集完成后，由下位機負責接收并作出相應的指令，發(fā)送至變頻器板塊實現(xiàn)閉環(huán)控制。本次設計中下位機嵌入PLC S7-300系列，可以較好地應對差異化應用需求，另外配備上位機，設置2臺單獨運行計算機，可以基于WinCC軟件開展組態(tài)交互，實現(xiàn)對下位機的監(jiān)控，整個系統(tǒng)由專項供配電模塊負責能源供應，可以最大限度保障礦井運行生產(chǎn)安全性。

2.2 主通風機選型

主通風機在整個系統(tǒng)中具有核心性地位，現(xiàn)階段常用的主要有離心式、軸流式兩種，前者由主軸、進氣室、葉輪[4]等結構組成，通電運行環(huán)節(jié)葉輪高速運轉，將風流匯聚至螺旋外殼，后期壓力逐漸提升，擴散器運作實現(xiàn)氣體排放。這種風機的特性曲線較為平穩(wěn)，在風量阻力變化較小的礦井中較為適用，但調(diào)節(jié)操作較為繁瑣。后者結構較為緊湊，通常只有變流器、擴散器等5個部分，風流在導葉作用下發(fā)生方向上的改變，經(jīng)過擴散筒時流速進一步降低，實現(xiàn)動能向靜壓能的轉換，完成風流的排出。

2.3 供配電設置

礦井通風除塵及監(jiān)控系統(tǒng)設計過程中，需要重點關注供配電可靠性，對于高壓供電系統(tǒng)來說，可以配備高壓開關柜，借助自動分閘功能防止高壓設備損壞，保障手動控制能效，其中主通風機房作為核心，設定為一級負荷單位，直接由110kV變電所供電，采用雙回路進線方式。綜合實際需求后，選定高壓開關斷路器型號，額定電壓統(tǒng)一為12kV，可以在RS-485串口模塊幫助下，與下位機實現(xiàn)連接，實時接收PLC模塊指令信號，完成特定場景下的合閘、分閘控制。另外設置切換柜，當?shù)V井通風及監(jiān)控系統(tǒng)正常運作時，主開關進入接通狀態(tài)，1、2號及3、4電機對應啟動。當切換柜進入備用狀態(tài)，旁路開關聯(lián)通并帶動電機運行，實現(xiàn)系統(tǒng)備用功能。為保障礦井通風及監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運行，細節(jié)上也進行了優(yōu)化，設置了直流屏和不間斷電源UPS，能夠將交流電轉換為更加穩(wěn)定的直流電，板塊采用RS-485通訊協(xié)議，可以與PLC下位機實時通訊。

2.4 變頻器選型

為滿足礦井風量調(diào)節(jié)需求，提升除塵、通風操作的適宜性，礦井裝置配備環(huán)節(jié)，通常會留出一定裕量，以保障新鮮空氣供應充足，但傳統(tǒng)模式中自動化控制水平較低，出現(xiàn)調(diào)節(jié)需求時，只能通過手動改變風門、蝶閥狀態(tài)來實現(xiàn)，雖然操作難度較低，但頻繁的調(diào)節(jié)容易帶來磨損，為構件故障埋下隱患，電能消耗量也會相應增大。現(xiàn)階段我國科技產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展、市場格局升級改造，生態(tài)理念、環(huán)保理念愈發(fā)深入人心，變頻器技術也由此獲得極大進步，在礦井通風除塵裝置中引入變頻器，不僅可以提升風量控制靈活性，還可以實現(xiàn)節(jié)能降耗，保障成本配置合理性。本次設計中引入PH-10-6-1000羅賓康變頻器，內(nèi)部嵌入變壓器、控制模塊等，可以實現(xiàn)0～100%的轉速調(diào)節(jié)，裝置本身的適應能力較強，可以抵御大部分的電壓波動問題，即使電壓降幅達到45%，裝置仍可持續(xù)運行。在遠程通信方面，引入了PROIBUS DP協(xié)議，不同類型數(shù)據(jù)對應不同DB塊，能夠完成對PLC指令的接收和解譯。

2.5 PLC硬件配置

選擇PLC可編程控制器時，需要預先明確礦井監(jiān)測系統(tǒng)功能需求，在此基礎上采用針對性思路考察各硬件性能，提升設計適配性。從案例礦井生產(chǎn)實踐來看，待實現(xiàn)功能主要包含以下幾點：

（1）遠程啟停及調(diào)速功能，需要結合井下環(huán)境狀態(tài)、變化趨勢等，對主扇風機下發(fā)啟停指令，并做好轉速調(diào)節(jié)和控制，保障運行經(jīng)濟性、安全性。

（2）接收和分析相關參數(shù)，包含電機繞組參數(shù)、風機風量、風壓參數(shù)，以及各項電氣參數(shù)等，確保系統(tǒng)供電電壓、運行效率處于正常狀態(tài)，將電信號實時轉化為可識別數(shù)值信號，方便人機交互模塊生成運行曲線、報表等。

（3）主要保護功能，由于礦井生產(chǎn)環(huán)境較為復雜，控制協(xié)調(diào)不當容易發(fā)生瓦斯聚集、有毒有害氣體充斥等問題，因此主扇風機必須保持不間斷運轉，PLC模塊需要對風機、電機軸承溫度等進行識別告警，緊急狀態(tài)下還要自動停車。

基于此，在系統(tǒng)不同板塊中裝設了不同規(guī)格、不同性能的PLC模塊，其中2臺下位機采用315-2DP型號PLC，可以對接存儲數(shù)據(jù)信號，開展運行處理和語法檢查；變頻器通訊模塊中，采用PROIBUS DP協(xié)議，對應配備CP342-5型號的PLC模塊，對系統(tǒng)接口進行擴展，保障通訊順暢度。處于布線簡潔性考慮，上位機、下位機通信設計環(huán)節(jié)，主要采用了以太網(wǎng)通訊方式，搭配S7-300型號PLC模塊[5]，分擔315-2DP通訊壓力的同時，提升了系統(tǒng)擴展性。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 監(jiān)測參數(shù)梳理

基于PLC技術開展礦井通風監(jiān)控系統(tǒng)設計時，主要采用了數(shù)字化、智能化思路，下位機、傳感器負責接收各節(jié)點參數(shù)，在工控機的處理下反饋指令，并通過PLC模塊完成遠程控制，因此邏輯編程環(huán)節(jié)，要著重梳理需要監(jiān)測的參數(shù)指標，為遠程控制、故障報警等功能的實現(xiàn)奠定基礎。監(jiān)測對象可分為兩個方面，一方面是井下環(huán)境，參數(shù)包含風速風壓、有害氣體含量、瓦斯?jié)舛鹊?；另一方面則是主風機等核心設備的運行狀態(tài)，這里簡單闡述幾個核心指標的計算方法。

（1）振動參數(shù)信號檢測，振動是主通風機運作過程中的常見現(xiàn)象，劇烈振動多由轉子不平衡等引發(fā)，軸承等構件在長時間的振動、磨損中很容易發(fā)生故障，因此在前后軸承上安裝傳感器，型號為TMS-HZD，外部與PLC、DC模塊連接，可以在電感應原理支持下，完成信號的變送，感應電動勢為U=B·L·v，其中B代表磁感應強度，L代表磁場中線圈有效長度，v代表運動速度。

（2）溫度參數(shù)信號檢測，對象主要為電機定子、風機軸承等，當風機超負荷、超時長運作時，這些部件最容易燒壞，為保障穩(wěn)定性，選用PT100鉑熱電阻傳感器進行數(shù)據(jù)采集，鉑材質(zhì)本身的物化性質(zhì)比較穩(wěn)定，檢測精度、效率更高，當電阻溫度為0℃時，傳回電阻值為100Ω，若溫度上升至100℃，電阻值會對應提升到138.5Ω左右，方便工控機判定。

（3）風量參數(shù)信號檢測，考慮到礦井作業(yè)環(huán)境較為特殊，風機運作環(huán)節(jié)中流場不均勻性、波動性較為鮮明，面對同一測量截面時，可能需要多點布設傳感器，檢測時間長且任務強度重，測點準確性也很難保障，所以本次設計中，引入分體式組合動壓管策略，運算時同樣需要先行獲得平均速度、風機靜壓等參數(shù)，多點測量求加權平均值，公式為

3.2 數(shù)據(jù)采集功能設計

對下位機PLC系統(tǒng)進行邏輯編程時，可用的表達方式是比較多樣的，梯形圖、指令表等均是常見種類，考慮到礦井通風除塵裝置運行環(huán)境較為復雜，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測工作量較大，因此選用簡潔性較好的梯形圖編制方式，使用STEP7平臺繪制流程。對PLC監(jiān)控任務進行拆分細化，防止功能重復、算法冗余帶來的效率問題，梳理后將核心任務層分為5個部分，其中FC1、FC2負責數(shù)據(jù)采集，分別面向變頻器、傳感器開展工作，F(xiàn)C3、FC4以及FC5負責邏輯控制，分別對應高壓開關柜控制、主通風機控制和報警控制。FC1、FC2模塊設計實現(xiàn)環(huán)節(jié)，要重點關注I/O接口的分配問題，基于此引進SM321、SM322和SM323模塊負責數(shù)字量輸入和輸出，分別接管變頻正轉運行反饋、變頻就緒反饋、變頻故障反饋等，輸出端則接管變頻停止、變頻啟動、蝶閥開到位指示等內(nèi)容。

3.3 遠程控制功能設計

借助STEP7平臺進行編程設計，當技術人員通過上位機發(fā)出開始指令，下位機會自行接收信號，并開展初始化處理和自檢，待到所有工作準備完畢后，選擇適宜的工作方式。若采用自動控制方式，下位機會自動根據(jù)實際情況決定啟動對象，可以提前設置默認風機，假設默認1號風機，那么下位機還會判定二號蝶閥啟閉狀態(tài)，確認關閉后開啟1號蝶閥，以防出現(xiàn)風流短路問題。同時確定風機運行方式，根據(jù)單機、雙機需求調(diào)節(jié)變頻器。FC3控制模塊中，主要設置了連鎖控制程序，采用雙回路供電，可以確保變頻器安全性；FC5模塊中，主要梳理和優(yōu)化了報警模塊，可以根據(jù)需求提前設置礦井風量閾限、毒害氣體濃度閾限等，最大限度保障系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。FC4控制模塊中，主要控制對象為主通風機，編寫環(huán)節(jié)主要把握以下幾個要點：

（1）蝶閥控制邏輯，蝶閥具有結構簡單、調(diào)節(jié)操作便捷的特征，在礦井通風系統(tǒng)中極為重要和關鍵，風機運行環(huán)節(jié)要特別注意風流短路問題，通過PLC邏輯設定聯(lián)鎖算法規(guī)避潛在風險。此外，若風機在蝶閥未完全開啟的情況下運行，很有可能導致壓力集中、過載問題，影響蝶閥的使用壽命，因此邏輯設計時加入了額外的限制條件，配合S5延時器控制蝶閥，以實現(xiàn)瞬時導通和延時關斷。

（2）變頻器控制邏輯，優(yōu)化環(huán)節(jié)主要防范變頻器同時投切問題，這種投切很可能導致電機過載，因此加入延時接通模塊，方便主備用切換操作。礦井生產(chǎn)過程中對通風系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高，所以部分礦井還會安排定期檢修活動，此時就對變頻器單動聯(lián)動控制性能提出了較高要求，本次設計中規(guī)定，當1#、2#變頻器均處于關停狀態(tài)，且滿足上位機遠程手動操作標準時，可以進入單動運作。

（3）風機故障切換，主通風機在礦井安全生產(chǎn)中重要性顯著，長時間的故障停運可能導致井下缺氧、瓦斯聚集等情況，所以PLC邏輯編程環(huán)節(jié)，還需要設置故障切換功能，若故障發(fā)生、且短時間內(nèi)無法自動修復，那么下位機會自動檢測備用風機狀態(tài)，經(jīng)過延時后完成切換。

（4）風量自適應調(diào)節(jié)，自適應調(diào)節(jié)是新型控制監(jiān)測系統(tǒng)的重要功能，可以在保障安全的同時，顯著降低能耗。舊有模式中對自適應調(diào)節(jié)的精確性控制不佳，很容易出現(xiàn)限值過高、過低的情況，誘發(fā)通風不良或電能浪費問題，而PLC技術的出現(xiàn)較好地解決了這一困境，運行環(huán)節(jié)應當先計算實際需求風量，對各工作面、巷道等需風量總和進行判斷[7]，并比較實時數(shù)據(jù)與理論需求量的大小，根據(jù)比較結果自動調(diào)節(jié)，保障系統(tǒng)經(jīng)濟性、實用性能。

3.4 故障報警設計

PLC技術及遠程通信技術的引入改變了傳統(tǒng)模式下，通風控制響應緩慢、準確度低的情況，內(nèi)置的自調(diào)節(jié)算法還能對異常隱患進行識別和調(diào)節(jié)，最大限度保障系統(tǒng)運行可靠性。但受到井下運行環(huán)境、運行時長等因素的影響，系統(tǒng)故障停機隱患無法完全排除，一旦遇到自動復位失敗的狀況，系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性就會大幅降低。因此設計環(huán)節(jié)還增加了報警組態(tài)模塊，可以對變量參數(shù)情況進行檢測，如果超出正常閾值即發(fā)出告警信息，以文本消息提示可能的故障類型，為后期的檢修排查工作奠定基礎。報警功能由指定模塊承擔，模塊與內(nèi)部數(shù)據(jù)庫對接，可以實時提取額定參數(shù)值、歷史參數(shù)值等，運行過程中可以基于實時數(shù)據(jù)進行對比分析，并判斷是否出現(xiàn)超限值狀況，如果判定為異常則借助延時置位開關發(fā)出告警，提示現(xiàn)場人員注意。主通風機系統(tǒng)中，故障檢測對象較為多樣，包含高壓供電系統(tǒng)故障、變頻器故障等，可以通過消音、復位等操作結束警報。注意參數(shù)閾限的設置務必要符合使用需求，以案例二號電機為例，本次設計中將后軸承溫度上限設定為90℃，超過這一上限風機會承受較為嚴重的負面影響，因此逼近、超過上限值后，系統(tǒng)會自動告警并彈出提示信息，最大限度保障礦井監(jiān)測、檢修響應速度，其他參數(shù)上限參考值可見表1。

表1：礦井通風除塵裝置參數(shù)報警上限節(jié)選

4 WinCC組態(tài)設計

4.1 上位機界面設計

上位機是監(jiān)控功能集成、整合的重要平臺和通道，本次實踐中主要借助WinCC組態(tài)軟件開展設計，所搭建的HMI界面中，主要包含用戶登錄模塊、風機監(jiān)控模塊、供電系統(tǒng)監(jiān)控模塊、運行參數(shù)報表、曲線轉換模塊、報警記錄模塊等。所有界面設計過程均在WinCC Explorer平臺完成，靈活運用“圖形編輯器”“標準板”等選項簡化操作。用戶登錄模塊采用賬號密碼管理方式，管理員負責所有賬號的創(chuàng)建、保管，點擊“添加用戶”按鈕，并設定角色、權限即可新增賬號，出于安全性考慮還可以限制單次操作時長，定點強制退出。為方便操作生成了專門的登錄按鈕，語言腳本為：

出于操作便捷性考慮，畫面設計時還增添了切換功能，風機監(jiān)控、供電系統(tǒng)參數(shù)等模塊按鈕統(tǒng)一放置在界面底部，可以根據(jù)需求自行點擊跳轉。對于上位機來說，參數(shù)顯示與分析功能最為關鍵，設計環(huán)節(jié)，將輸入輸出與變量對應關聯(lián)，同時更改更新方式，保障參數(shù)變化情況的實時同步。變量設置環(huán)節(jié)要兼顧內(nèi)部、外部兩種變量，前者主要包含屬性名稱、數(shù)據(jù)類型等，可以為畫面調(diào)用、地址引用提供支撐；后者則用于PLC外接通訊，包含數(shù)據(jù)名稱、類型等，考慮到礦井通風除塵系統(tǒng)自動化運行進程較為復雜，PLC邏輯編程時，逐一定義的工作量較大，很容易發(fā)生錯漏問題，因此可以借助SIMATIC WinCC Configuration Tool輔助建立變量，以提高PLC編程效率。

4.2 通信模塊設計

礦井生產(chǎn)環(huán)境相對特殊，信號傳輸過程中容易受到電磁、地層等多重因素干擾，上位機、下位機通信模塊設計時，不僅要考慮速度、穩(wěn)定性，更要兼顧丟包率、兼容性等問題，基于此，本次設計引入工業(yè)以太網(wǎng)，搭配TCP/IP協(xié)議完成通訊。用該種通信架構代替CAN總線模式，可以減少現(xiàn)場環(huán)境對線路布局的限制，資源共享、傳輸能力也明顯提升，當下位機有通信需求時，無需借助專用CP1613網(wǎng)卡完成，而是直接通過以太網(wǎng)卡即可交換數(shù)據(jù)，成本更加低廉，PLC調(diào)試編程也更加便捷。本次設計主要嵌入了CP343-1 Lean模塊，可以在計算機中自行設置IP地址、子網(wǎng)掩碼等，以增強網(wǎng)絡安全性。

4.3 系統(tǒng)功能測試

完成通風裝置及PLC監(jiān)控系統(tǒng)設計后，對整體架構的運行情況進行運行測試，啟停與切換測試環(huán)節(jié)，將風機風窗全部打開，主通風機進入空載狀態(tài)，以上位機平臺為依托，切換至手動控制狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)所有啟停操作可以控制在1min以內(nèi)，主備切換動作也僅有3min左右。切換到自動狀態(tài)后，變頻器故障切換、風機一鍵啟動總計用時不超過1min，主備風機切換也僅有2min。

5 裝置系統(tǒng)應用實例及效益分析

礦井通風除塵裝置及監(jiān)控系統(tǒng)設計完畢后，開展了實地運行測驗，案例礦井每年產(chǎn)量150萬噸，開拓系統(tǒng)以主井為核心，分布1#副井、2#副井，通道中風量約為220m3/s，主風機運作環(huán)節(jié)，地面新鮮空氣從兩副井送入，經(jīng)過運輸巷、穿脈巷后，到達人行通風天井和掘進面，最后從回風井排出。

6 結論

綜上所述，本文設計和實現(xiàn)了一種基于PLC模塊的礦井通風監(jiān)控系統(tǒng)，選用FBCDZN034/2×800主通風機，搭配PH-10-6-1000羅賓康變頻器、高精度振動傳感器、溫度傳感器等，能夠較好地實現(xiàn)井下瓦斯?jié)舛?、設備狀態(tài)監(jiān)測，同時實現(xiàn)遠程一鍵啟停、蝶閥控制、故障報警等功能。在此基礎上引入WinCC組態(tài)軟件輔助完成上位機界面設計，僅測試運行響應速度良好，能夠滿足礦井通風除塵系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性需求。經(jīng)過實際投產(chǎn)運行，每年可節(jié)省電量110萬千瓦時，礦井營收能力、設備管理能力都得到顯著提高，實踐環(huán)節(jié)可以適當借鑒該種設計思路，根據(jù)實際需求完善和更改PLC編程邏輯，增強系統(tǒng)靈活性、適用性。