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

王 偉

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030053）

引言

中國(guó)煤炭資源豐富，主要分布在我國(guó)山西、內(nèi)蒙古、陜西等地，整體分布不均。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量占據(jù)世界煤炭資源儲(chǔ)量的1/3。隨著清潔能源等不斷發(fā)展，核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等得到了廣泛的應(yīng)用，但由于我國(guó)能源需求量巨大，清潔能源僅是杯水車薪，所以煤炭資源仍是我國(guó)國(guó)民生產(chǎn)最重要的保障。隨著開(kāi)采年限的不斷增加，我國(guó)淺埋的煤層逐步開(kāi)采殆盡，目前開(kāi)采的重點(diǎn)逐步向著深部煤層進(jìn)行[1-2]。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，通風(fēng)機(jī)是礦井正常開(kāi)采重要的機(jī)械設(shè)備，其主要是將井下污濁空氣進(jìn)行排除并向井下輸入新鮮空氣，所以其能否安全可靠的運(yùn)行對(duì)于礦井正常安全生產(chǎn)十分重要[3-4]，本文基于PLC 冗余技術(shù)對(duì)通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效提升通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在進(jìn)行主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮安全可靠的原則，由于井下傳感器數(shù)量重多，如果系統(tǒng)顯示的信息量無(wú)法實(shí)時(shí)的更新時(shí)，此時(shí)將會(huì)出現(xiàn)信號(hào)滯后的問(wèn)題，此時(shí)操作人員可能會(huì)對(duì)信息做出錯(cuò)誤的判斷，所以在組建系統(tǒng)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮此問(wèn)題，提升系統(tǒng)的集成可靠程度。同時(shí)系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮控制權(quán)限優(yōu)先級(jí)的問(wèn)題，使得系統(tǒng)做到分散控制集中管理。最后設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要具備良好的兼容性及可擴(kuò)展性，便于后期系統(tǒng)設(shè)備的增加。在充分考慮分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)及以太網(wǎng)控制系統(tǒng)后選定成本相對(duì)低廉、相應(yīng)速度較快、兼容性較好的以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。首先進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)框架的構(gòu)件，由于系統(tǒng)中電機(jī)、風(fēng)門、傳感器等眾多，所以選定CP340 進(jìn)行模擬量的采集，系統(tǒng)通過(guò)兼容的通訊信號(hào)，通過(guò)輪詢的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以以太網(wǎng)為保障避免數(shù)據(jù)的滯后問(wèn)題，同時(shí)選定S7300可編程控制器，上位機(jī)選定為組態(tài)王，保證顯示具有穩(wěn)定性。

對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行就地控制，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行就地的急停急啟，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，利用PLC 控制柜為基礎(chǔ)對(duì)系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析，為了保障系統(tǒng)可靠性，采用冗余設(shè)置，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，備用系統(tǒng)及時(shí)啟動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)不停風(fēng)自動(dòng)倒機(jī)功能，解決由于倒機(jī)造成的瓦斯超限問(wèn)題，所以本系統(tǒng)采用不停風(fēng)自動(dòng)倒機(jī)模式，在傳統(tǒng)的倒機(jī)模式基礎(chǔ)上增加水平風(fēng)門，當(dāng)系統(tǒng)符合自動(dòng)倒機(jī)模式時(shí)，PLC 控制器會(huì)發(fā)出自動(dòng)倒機(jī)命令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)倒機(jī)，增加水平風(fēng)門的通風(fēng)通路如圖1 所示。

圖1 增加水平風(fēng)門的通風(fēng)通路圖

功能報(bào)警同樣是系統(tǒng)必不可少的一個(gè)功能，通風(fēng)系統(tǒng)的報(bào)警一般可以分為風(fēng)機(jī)的軸承溫度、風(fēng)機(jī)振動(dòng)、風(fēng)機(jī)的負(fù)壓等方面報(bào)警，傳感器通過(guò)收集異常信號(hào)傳輸至PLC 端，及時(shí)發(fā)出報(bào)警。

2 硬件、軟件設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

2.1 硬件設(shè)計(jì)

完成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析后對(duì)模型的硬件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，首先對(duì)可編程的控制器進(jìn)行選型，考慮到經(jīng)濟(jì)性、合理性的選定CPU315-2PN/DP 為系統(tǒng)的控制器，CPU315-2PN/DP 控制器能夠支持2 048 個(gè)M 存儲(chǔ)字節(jié)，同時(shí)其內(nèi)部嵌入微型處理器，可搭建32 模塊的控制系統(tǒng)，控制器用于兩個(gè)以太網(wǎng)接口，能夠支持PG/OP、TCP/IP、S7 通信。

對(duì)傳感器進(jìn)行選型，考慮到礦井井下氣溫較低，所以系統(tǒng)選定具有抗震防凍的6233C-10 振動(dòng)傳感器，系統(tǒng)的壓力傳感器選定為量程為0～2 kPa 的1151DP 型壓力傳感器。為了對(duì)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)軸承等部位的溫度進(jìn)行檢測(cè)，選定PT100 電阻傳感器。同時(shí)系統(tǒng)需要對(duì)風(fēng)機(jī)的電壓、功率、電流等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以本文選定電壓量程0～100 V，電流量程為0～5 A的EDA9033A 電參數(shù)模塊，采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)RS485總線傳輸至PLC 控制器，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。

對(duì)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立，由于通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)量巨大，所以極易出現(xiàn)信號(hào)的丟失問(wèn)題，因此系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，且要保證模塊間的兼容性較好，所以設(shè)計(jì)如圖2 所示的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖2 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖2 可以看出，系統(tǒng)采用以太網(wǎng)為通信基礎(chǔ)，對(duì)遠(yuǎn)處的集中監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)的控制層及總站通過(guò)工業(yè)交換機(jī)進(jìn)行連接，形成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，操作人員通過(guò)對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控就能夠?qū)崟r(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，當(dāng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，所以其中一項(xiàng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，不會(huì)影響整體運(yùn)行。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的PLC 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先對(duì)控制器的程序進(jìn)行設(shè)定，程序包含著初始化程序、數(shù)據(jù)通訊程序、主備系統(tǒng)程序及報(bào)警程序等。PLC 控制器的結(jié)構(gòu)程序示意圖如圖3 所示。

圖3 PLC 控制器的結(jié)構(gòu)程序示意圖

主備切換程序AB 相互交換信息，系統(tǒng)A 中的數(shù)據(jù)將會(huì)備份至B 站中，B 站隨時(shí)監(jiān)測(cè)A 站的運(yùn)行情況，當(dāng)A 站的CPU 出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，此時(shí)B 站監(jiān)測(cè)到后立即接替A 站的工作，在A 站正常運(yùn)行時(shí)，B 站處于準(zhǔn)備狀態(tài)，隨著準(zhǔn)備接替。其在工作中可以監(jiān)測(cè)的故障分別有冗余電源的損壞、數(shù)據(jù)通訊線連接問(wèn)題、控制器癱瘓等，系統(tǒng)除了可以自動(dòng)切換外還能夠?qū)崿F(xiàn)人工自動(dòng)切換，當(dāng)進(jìn)行A 站檢修時(shí)，可以手動(dòng)切換，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

系統(tǒng)的人機(jī)界面是人與系統(tǒng)交流的核心部件，設(shè)計(jì)將風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)布置兩個(gè)組態(tài)畫(huà)面，其中一個(gè)作為監(jiān)控組態(tài)畫(huà)面，另一個(gè)為觸摸屏的顯示界面，用于只展示系統(tǒng)的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)圖、設(shè)備的運(yùn)輸狀態(tài)及風(fēng)機(jī)運(yùn)行的各種參數(shù)。人機(jī)界面設(shè)置有報(bào)警查詢界面，其不僅可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警來(lái)源查詢，還可以查詢報(bào)警的時(shí)間，同時(shí)系統(tǒng)可以將振動(dòng)報(bào)警、溫度報(bào)警及其他報(bào)警形式進(jìn)行分別管理，報(bào)警查詢的原理機(jī)制圖如圖4 所示。

圖4 報(bào)警查詢的原理機(jī)制圖

由圖4 可以看出，系統(tǒng)具備報(bào)警數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)中采集的故障信息經(jīng)過(guò)PLC 進(jìn)行處理及識(shí)別后傳輸至組態(tài)王，組態(tài)王經(jīng)過(guò)對(duì)報(bào)警信號(hào)的分析、分類后將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的信號(hào)可以在組態(tài)王上進(jìn)行查詢及顯示。

2.3 應(yīng)用效果分析

對(duì)優(yōu)化后的主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行良好，報(bào)警查詢共計(jì)21 條，其中振動(dòng)報(bào)警7 條，溫度報(bào)警6 條，其余報(bào)警共計(jì)8 條，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自動(dòng)切換任務(wù)，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的安全及可靠性，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在原有通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用PLC 對(duì)通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先對(duì)PLC 通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的分析，結(jié)合實(shí)際的需求對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后對(duì)優(yōu)化后的通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用效果分析，驗(yàn)證了優(yōu)化的可行性，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保障。