煤礦主通風機控制系統(tǒng)PLC改造

佟智勇

（龍煤股份鶴崗分公司機電裝備部，黑龍江鶴崗154100）

0 引言

煤礦主通風機的作用就是把地面新鮮空氣送入井下，供井下工人呼吸，同時把有害氣體從井下排出，保證井下工人擁有良好的工作環(huán)境。因此，在現(xiàn)代化礦井中稱主通風機為“礦井之肺”。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，當運行風機發(fā)生故障時，10 min內(nèi)必須啟動備用風機以保證井下礦工的生命和生產(chǎn)安全。龍煤股份鶴崗分公司新陸煤礦現(xiàn)用主扇風機為BDK-8-N02.8型，電控系統(tǒng)為黑龍江省阿城繼電器股份有限公司生產(chǎn)的GG-10-112型高壓開關柜，電控部分為繼電器控制系統(tǒng)，2005年安裝投用至今，現(xiàn)電器設備出現(xiàn)老化現(xiàn)象，主通風機電控系統(tǒng)因為使用大量的繼電器，觸點較多，造成容易發(fā)生故障的點很多，且發(fā)生故障后不能及時發(fā)現(xiàn)。一旦發(fā)生故障，處理上需要參照電氣控制圖紙進行查找、判斷，費時費力，不能保證快速處理；同時因為控制回路使用220 V直流電源，對控制電源的要求比較高，一些老式直流繼電器已經(jīng)不再生產(chǎn)，一旦損壞，沒有部件進行更換，對主扇的安全運行造成很大影響。

針對上述問題，為確保礦井主通風機安全運行，需對電控系統(tǒng)進行改造。經(jīng)多次方案論證，綜合比較，確定使用PLC（可編程序控制器）控制系統(tǒng)對主扇控制系統(tǒng)進行改造。

1 使用PLC對主扇控制系統(tǒng)進行改造的優(yōu)點

1）使用PLC進行主扇控制系統(tǒng)改造，可以在保證使用安全的情況下簡化控制線路。因為原有的控制系統(tǒng)有相當一部分線路和設備是為了實現(xiàn)各種狀態(tài)顯示和故障顯示而使用的，采用PLC控制后可以節(jié)省大量的指示燈和儀表顯示及線路，發(fā)生故障時容易查找。

2）增加故障判斷及系統(tǒng)狀態(tài)顯示功能，可以對系統(tǒng)中的開關、設備及觸點狀態(tài)進行實時監(jiān)控并在上位機畫面顯示出來，通過對輸入PLC各種模擬量和數(shù)字量的采集和處理以及在程序中進行邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理，及時發(fā)現(xiàn)設備存在的故障并輸出報警信息，提醒維修人員進行處理，對司機的操作過程進行監(jiān)視以及時發(fā)現(xiàn)操作中存在的錯誤，保證風機的運行安全。

3）使用高速計數(shù)模塊和編碼器對主通風機風門進行控制，直接控制風門上提和下放行程，使之控制更加精確。設備控制和顯示可以使用西門子MP277（8inch觸摸屏），該觸摸屏適用于工業(yè)控制現(xiàn)場，具有抗沖擊振動、抗干擾能力強、設備壽命長、顯示畫面分辨率高等優(yōu)點。

4）PLC具有通訊功能，可以與計算機直接或通過通信處理單元、通信轉(zhuǎn)接器相連構成網(wǎng)絡，實現(xiàn)信息的交換，滿足實現(xiàn)遠程監(jiān)控或與其他控制設備通信的要求。

2 PLC改造的硬件設備選型

根據(jù)礦井主通風機控制要求，采用西門子S7-300系統(tǒng)。該PLC控制器為中型機，采用模塊式結構，各種單獨模塊之間可以根據(jù)需要進行廣泛組合和擴展，模塊的輸入輸出端口均采用光電隔離和濾波。具體結構如下：1）電源模塊使用PS307；2）中央處理器單元模塊采用CPU314，適用于要求高速處理和中等I/O規(guī)模的任務，最大可擴展512點數(shù)字量I/O或64路模擬通道；3）數(shù)字量輸入模塊SM321，將現(xiàn)場過程送來的數(shù)字信號電平轉(zhuǎn)換成S7-300的內(nèi)部信號電平。選用直流16點輸入型，使用2塊，共32個輸入點；4）模擬量輸入模塊使用SM331，模塊各個通道可以分別使用電流或電壓輸入，采用8AI×12位模塊2塊，共16個輸入通道；5）數(shù)字量輸出使用SM322，選用16點繼電器輸出型，使用2塊，共32個輸出點；6）模擬量輸出使用SM332型，模塊用于將CPU送給它的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為成比例的電流或電壓信號，對執(zhí)行機構進行調(diào)節(jié)或控制。采用4AO×12位模塊1塊；7）高速計數(shù)模塊使用FM350，如果使用編碼器對風門的運動狀態(tài)進行監(jiān)視，可以采用該模塊對編碼器的脈沖進行計數(shù)采集，計算轉(zhuǎn)換成風門的位移值，實現(xiàn)對風門位置的精準控制。

3 需要采集和輸出的數(shù)字量和模擬量

1）PLC需要采集的模擬量（AI）包括高低壓電源的電壓、電流模擬量信號，可以采用電流電壓轉(zhuǎn)換板將其轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號或4～20 mA電流信號后輸入PLC的AI模塊，在PLC內(nèi)部轉(zhuǎn)換為0～27 468之間的數(shù)字信號，這樣在程序中就可以對其進行監(jiān)視、比較、處理，邏輯判斷，從而對風機啟動及運行時的電流電壓進行程序比較，及時發(fā)現(xiàn)電源欠壓或過壓故障以及電動機啟動和運行時過電流等故障問題，輸出報警或輸出跳閘信號，防止事故的擴大，還可以將電流電壓數(shù)值實時的在畫面上進行顯示。

2）PLC需要采集的數(shù)字量（DI）包括：電動機啟動柜真空接觸器開關狀態(tài)，高開柜的各個隔離開關的位置狀態(tài)，電動機保護儀保護輸出報警或跳閘信號，風門限位開關的狀態(tài)，風機啟動開關狀態(tài)值以及原設備需要保留的一些開關量狀態(tài)值。在程序中通過對各個開關量的采集、邏輯比較和判斷可以檢測設備狀態(tài)是否正常，在倒機操作時還可以對司機的操作過程進行監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)操作錯誤并報警。

3）PLC需要輸出的開關量（DO）包括：一些原有由繼電器控制的指示燈指示，報警信息的輸出，風機啟動控制輸出信號，以及顯示畫面需要的開關量輸出等。開關量的DI/DO輸入輸出均使用歐姆龍24 V繼電器進行隔離轉(zhuǎn)換，防止干擾信號對PLC的影響，歐姆龍繼電器經(jīng)過在PLC控制系統(tǒng)的長期運行，證明其可靠性非常高。

4 改造方案的技術難點

1）PLC控制系統(tǒng)與老系統(tǒng)設備的對接融合問題，包括PLC控制需要接入的DI/DO，AI/AO的信號的采集和輸出控制信號的執(zhí)行，由于老系統(tǒng)零部件控制電壓均為直流220V，采集輸入和輸出控制需要通過繼電器或選擇設計合適的電流電壓轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換。

2）PLC控制系統(tǒng)和觸摸屏控制程序的編制，因為主扇運行要求有很高的安全性、可靠性，控制程序的設計對系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行起到至關重要的作用，必須充分考慮系統(tǒng)運行可能出現(xiàn)的任何問題、現(xiàn)象，并針對性地進行判斷、解決。觸摸屏畫面設計也要考慮充分，盡可能全面顯示出系統(tǒng)的各種信息（包括每一個觸點的狀態(tài)信息），保證主扇司機通過畫面顯示對系統(tǒng)的運行狀態(tài)、故障信息及時全面地了解。

5 結語

新陸煤礦主通風機控制系統(tǒng)改造后，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，故障率低，可以實時監(jiān)測主扇運轉(zhuǎn)狀態(tài)，確保了主通風機安全運行，達到了預期效果。