基于PLC 控制的礦井主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王 磊

（山西焦煤西山煤電東曲煤礦，山西 古交 030200）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要通過通風(fēng)設(shè)備將地面新鮮空氣沿設(shè)計路線、按照設(shè)計風(fēng)量源源不斷輸送至礦井內(nèi)各用風(fēng)區(qū)域，同時將井下乏風(fēng)抽排至地面，以便將井下有害氣體濃度稀釋至煤礦安全操作規(guī)程允許范圍內(nèi)，為井下設(shè)備運(yùn)行及安全生產(chǎn)提供必要條件。礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要包括主副通風(fēng)機(jī)、風(fēng)井、風(fēng)門等部分，其中，主通風(fēng)機(jī)是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的核心機(jī)械，也是風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)重要的監(jiān)測對象。應(yīng)用先進(jìn)的自動化系統(tǒng)既能實現(xiàn)對礦井主通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，又能集中監(jiān)測通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行工況，測報并處理運(yùn)行故障，是保證煤礦通風(fēng)安全的根本途徑。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

本研究所設(shè)計的基于PLC 控制器的礦井主通風(fēng)機(jī)自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要采用先進(jìn)的MCGS 組態(tài)軟件和S7-300 型PLC 控制器，可實現(xiàn)對煤礦主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中溫度、壓力、風(fēng)量等變量的實時監(jiān)測，并基于所收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)在線繪制風(fēng)量-電流、功率-風(fēng)量、壓力等效能曲線[1]，體現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)實際運(yùn)行工況。同時還具有系統(tǒng)故障預(yù)警、報表統(tǒng)計處理等輔助功能，其與調(diào)度中心主控站的連接通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)。監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)主通風(fēng)機(jī)均按照一主一備兩套設(shè)備的冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]，當(dāng)主設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障，則備用設(shè)備立即投入運(yùn)行。每臺風(fēng)機(jī)均配備兩臺電壓10 kV 的高壓異步電動機(jī)，每臺電動機(jī)在出廠前均裝配三相定子及溫度傳感器；為調(diào)節(jié)風(fēng)量及倒換風(fēng)機(jī)，各風(fēng)機(jī)風(fēng)道內(nèi)均應(yīng)設(shè)置一扇地面風(fēng)道閘門。每道閘門均由1 臺功率11 kW 的三相交流電動機(jī)拖動，旋轉(zhuǎn)風(fēng)門則通過功率40 kW 的交流電動機(jī)拖動；為確保礦井主通風(fēng)機(jī)附屬設(shè)施的可靠運(yùn)行，還應(yīng)增設(shè)2 臺總功率50 kVA的干式變壓器綜保裝置。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)構(gòu)成情況詳見圖1，S7-300 型PLC控制器為系統(tǒng)的核心，并設(shè)置有4 組SM321 直流輸入模塊、1 組SM322 直流輸出模塊、4 組SM321 通道模擬量輸入模塊、1 組SM332 通道模擬量輸出模塊；所采集到的主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)主要通過各種傳感器傳輸至CPU 運(yùn)算、處理。主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和高壓開關(guān)柜綜合保護(hù)裝置之間通過RS485 連接，便于綜保裝置開關(guān)量信息和開關(guān)柜模擬量信息等的實時讀取，采集并輸出電網(wǎng)電壓、運(yùn)行電流、功率等參數(shù)。

圖1 基于PLC 控制器的礦井主通風(fēng)機(jī)自動化監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

全部PLC 狀態(tài)、模擬量信息及控制點信息均通過PROFIBUS 接口輸入交換機(jī)，分配后再進(jìn)入工業(yè)以太網(wǎng)，通過TCP/IP 協(xié)議高速光纖傳輸至調(diào)度中心主站。在煤礦中央控制室內(nèi)設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，并借助TCP/IP 協(xié)議通過煤礦全局光纖網(wǎng)將現(xiàn)場測控部分接入中央控制室，以便對主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實行集中管理。

1.2 參數(shù)監(jiān)測

1）溫度監(jiān)測：主通風(fēng)機(jī)電機(jī)定子溫度及三相繞組溫度均通過風(fēng)機(jī)內(nèi)部測量電阻獲取，流體溫度則由JWB 防爆一體化溫度變送器測量取得，輸出信號5～20 mA，且均通過屏蔽雙絞線傳輸至多路溫度巡測儀，該儀器主要運(yùn)行于0～50 ℃且相對濕度90%以下的環(huán)境中，精度可達(dá)到0.2～0.5 級。

2）風(fēng)機(jī)啟停監(jiān)測：煤礦礦井交流驅(qū)動機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)主要由SG4KGT9 開停傳感器監(jiān)測，將所收集到的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號轉(zhuǎn)換后傳輸至PLC，該傳感器主要應(yīng)用新型抗干擾設(shè)計，安裝方便、能耗低、性能穩(wěn)定。

3）振動參數(shù)監(jiān)測：通常情況下，振動測試不包括在主通風(fēng)機(jī)投運(yùn)前的特性測試中，但包括在性能在線監(jiān)測中。TMS-HZD 一體化振動變送器集成了振動傳感器和精密測量電路，可與PLC 系統(tǒng)連接并安裝在旋轉(zhuǎn)裝置軸承蓋上，實現(xiàn)對振速或振幅的高精度測量。

4）壓力監(jiān)測：測點通常設(shè)置在風(fēng)機(jī)入口處，并通過壓力傳感器將所得到的壓力信號成功轉(zhuǎn)換為5～20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)電信號。

5）電氣參數(shù)：煤礦主通風(fēng)機(jī)高壓開關(guān)為綜保裝置，可實現(xiàn)其配套電機(jī)負(fù)載、空載電壓、電流、功率及電網(wǎng)電壓、電流、功率等參數(shù)的采集及線路保護(hù)。

2 軟件設(shè)計

基于PLC 控制的礦井主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要由集中管理和分散控制兩個部分構(gòu)成，前者主要采用MCGS 監(jiān)控系統(tǒng)軟件，后者則采用STEP-7 編程控制軟件。MCGS 監(jiān)控系統(tǒng)包括MCGS 組態(tài)環(huán)境和MCGS 運(yùn)行環(huán)境兩部分，組態(tài)環(huán)境工具軟件可為用戶設(shè)計實際應(yīng)用系統(tǒng)，運(yùn)行環(huán)境則相對獨立完成組態(tài)設(shè)計目標(biāo)功能。MCGS 監(jiān)控系統(tǒng)具有實時顯示通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、實時繪制曲線、實時報警、查詢數(shù)據(jù)報表、故障倒機(jī)等多項功能。

1）實時顯示通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。MCGS 監(jiān)控系統(tǒng)可以進(jìn)行每臺通風(fēng)機(jī)累計運(yùn)行時間、入風(fēng)口負(fù)壓、風(fēng)筒流量、風(fēng)門及檢修門工作狀態(tài)、制動器及釋放限位開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)、液壓泵站油箱實時溫度及油位、軸承溫度和繞組溫度、風(fēng)機(jī)葉片開度、液壓站加熱器等電機(jī)運(yùn)行工況的實時顯示，以反映通風(fēng)機(jī)實際運(yùn)行性能狀態(tài)。

2）曲線繪制。特性曲線體現(xiàn)的是風(fēng)機(jī)風(fēng)筒過氣流量和比功之間的對應(yīng)關(guān)系，坐標(biāo)原點為風(fēng)機(jī)目前工況點，所在區(qū)域即體現(xiàn)風(fēng)機(jī)效率值；氣體流量主要與風(fēng)機(jī)入風(fēng)口負(fù)壓傳感器和溫度傳感器以及入風(fēng)口和輪轂間差壓傳感器測量值有關(guān)。功率-風(fēng)量曲線是風(fēng)機(jī)風(fēng)筒所流經(jīng)的氣體流量與電機(jī)軸功率關(guān)系的體現(xiàn)，電機(jī)軸功率為電機(jī)有功功率和傳動損耗系數(shù)之乘積[3]。

3）實時報警。在本研究所設(shè)計的基于PLC 控制器的礦井主通風(fēng)機(jī)自動化監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若通風(fēng)機(jī)軸承溫度、喘振裕度、定子溫度等超出所設(shè)置的上限或開關(guān)量運(yùn)行狀態(tài)異常，則屏幕上報警畫面將自動彈出，信號顏色也由綠變紅，報警燈持續(xù)出現(xiàn)聲、光報警信號。

4）查詢數(shù)據(jù)報表。系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)前時刻的實時數(shù)據(jù)可直接按照設(shè)定的報告格式顯示并打??；歷史數(shù)據(jù)需要從數(shù)據(jù)庫內(nèi)提取后按設(shè)計格式顯示并打印。

5）故障倒機(jī)。通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中如果發(fā)生故障，系統(tǒng)便自動倒換至另一臺通風(fēng)機(jī)。這一過程中主要以界面預(yù)先設(shè)定的操作步驟為依據(jù)，在PLC 系統(tǒng)的控制下自動檢測需要倒換通風(fēng)機(jī)的各項性能，待全部性能均滿足運(yùn)行要求后按照設(shè)計步驟逐步實現(xiàn)倒機(jī)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

本研究所設(shè)計的基于PLC 控制的礦井主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用后，溫濕度及有害氣體濃度傳感器和上位機(jī)分別與PLC 連接，PLC 與設(shè)備控制變頻器連接。工作人員可通過組態(tài)王上所顯示的監(jiān)控圖觀察、了解并記錄礦井內(nèi)主通風(fēng)機(jī)通風(fēng)量及風(fēng)速等實時變化過程；在運(yùn)行調(diào)試過程中，通過人為調(diào)高系統(tǒng)溫度傳感器四周溫度或增大礦井內(nèi)有害氣體濃度，則溫度傳感器立即感應(yīng)到高溫或有毒氣體信號，并將該信號實時輸入PLC，PLC 系統(tǒng)便通過比較值法準(zhǔn)確判斷出高溫或有毒氣體所在區(qū)域，并同時在上位機(jī)上通過高溫或有毒氣體預(yù)警燈顯示出來，此后，系統(tǒng)會自動啟動大風(fēng)量模式，通過加快風(fēng)速使礦井內(nèi)局部溫度快速降低、有害氣體快速消散。與此同時，再通過人為方式調(diào)低溫度傳感器周圍溫度，則由溫度感應(yīng)器所感應(yīng)到的低溫信號同樣實時傳輸至PLC，PLC 系統(tǒng)將信號反饋至上位機(jī)，由上位機(jī)發(fā)出預(yù)警?？傊瑹o論礦井溫度處于高溫還是低溫狀態(tài)，均可以通過PLC 控制的主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)供風(fēng)量及風(fēng)速，達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)定的礦井安全水平，取得較好的控制效果。

4 結(jié)語

煤礦主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況對礦井安全生產(chǎn)作用重大，對主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)控也十分必要。本研究所設(shè)計的基于PLC 控制器的礦井主通風(fēng)機(jī)自動化監(jiān)控系統(tǒng)以S7-300 型PLC控制器為監(jiān)控核心，選用性能優(yōu)良的傳感器、變流器等檢測裝置，實現(xiàn)對主通風(fēng)機(jī)和配套設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測以及煤礦礦井正常通風(fēng)和反風(fēng)控制，使主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控自動化水平大大提高，也為煤礦礦井設(shè)備管理、運(yùn)行維護(hù)提供了可靠依據(jù)。