礦用通風機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的工程應用研究

高海江

（山西焦煤汾西礦業(yè)正幫煤業(yè)有限責任公司，山西 孝義 032300）

引言

煤炭掘進工作基本全部在井下完成，因井下作業(yè)環(huán)境極為惡劣，存在有毒有害氣體、易燃易爆的瓦斯等，不及時進行通風換氣，不僅會危及井下作業(yè)人員的生命安全，嚴重的還會引起爆炸等安全事故，必須引起高度重視[1-3]。礦井通風系統(tǒng)作為煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，能夠及時排除井下有害氣體，為井下作業(yè)人員輸送新鮮空氣[4]。通風機作為礦井通風系統(tǒng)的重要組成部分，其工作的可靠性至關(guān)重要[5]。隨著科技的發(fā)展，自動化監(jiān)測系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的應用越來越廣泛，也為礦井通風機監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考[6]。因此，針對某煤炭企業(yè)現(xiàn)有通風機缺乏監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，開展基于PLC技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究，對于提高通風機運行的可靠性和安全性具有重要意義。

1 系統(tǒng)功能要求

根據(jù)煤炭企業(yè)通風機運行現(xiàn)狀及其對監(jiān)測系統(tǒng)的要求，明確了礦井通風機監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的功能要求，主要內(nèi)容如下：

1）監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測通風機驅(qū)動電機的運行參數(shù)，包括電壓、電流等。

2）能夠?qū)崟r采集煤礦井下作業(yè)環(huán)境中的風壓等參數(shù)數(shù)據(jù)。

3）通風機啟動時具有軟啟動功能，同時，連續(xù)運行過程中能夠依據(jù)實時采集得到的巷道風量參數(shù)實時調(diào)整電機的頻率和風速，完成驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速調(diào)整。

4）實時顯示變頻器工作狀態(tài)、正反轉(zhuǎn)及啟停情況。

5）監(jiān)測系統(tǒng)具備故障報警功能，尤其是變頻器和風機故障時，必須能夠發(fā)出報警信號。

6）實時顯示礦井通風機風量、風壓、風機轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)等參數(shù)數(shù)據(jù)。

2 總體方案設(shè)計

根據(jù)礦井通風機監(jiān)測系統(tǒng)功能要求完成了以PLC為控制核心部件的監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計，如圖1所示。由圖1可以看出，系統(tǒng)中PLC負責接收通風機監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，通過上位機將處理之后的數(shù)據(jù)進行實時顯示。系統(tǒng)中的壓力傳感器用于監(jiān)測風機管道中的實時風壓數(shù)值，驅(qū)動電機電壓和電流的監(jiān)測分別設(shè)置了電壓傳感器和電流傳感器，經(jīng)過PLC的A/D擴展模塊轉(zhuǎn)換成PLC可以處理的數(shù)字量。系統(tǒng)通過采集光電編碼盤的脈沖信號可以計算得出風機實時的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)礦井通風機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)測與控制功能。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 硬件電路

基于礦井通風機監(jiān)測系統(tǒng)方案完成了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，如下頁圖2所示，主要包括主電路和控制電路兩部分。主電路部分包括驅(qū)動風機運轉(zhuǎn)的2臺電動機，標識分別為M1和M2，熔斷器FU1、隔離開關(guān)QS1、2個熱繼電器FR1和FR2、2個交流接觸器KM1和KM2、還有2個MM3117型變頻器等。控制電路包括兩個電源隔離開關(guān)QS1和QS2、兩個指示燈H1和H2、兩個報警鈴B1和B2。變頻器上電控制由QS1負責，配置熔斷器FU1工作。PLC供電由QS2通斷24 V電源實現(xiàn)，配置熔斷器FU2工作。兩個接觸器KM1和KM2分別用于控制驅(qū)動電機1和驅(qū)動電機2的通斷。變頻器故障報警和指示燈由H1和B1負責，風機故障報警和指示由H2和B2負責。

圖2 硬件電路圖

3.1.2 PLC選型

根據(jù)通風機監(jiān)測系統(tǒng)的需要，選擇了西門子旗下型號為S7-200的PLC，其CPU為226的PLC，該型號PLC內(nèi)部自帶2個RS485通信接口，分別標識為0和1，同時具有高速計數(shù)模塊、PID模塊等。編程時，若采用端口0或1的情況下，該端口就不能同時用作網(wǎng)絡通信口使用了。為了能夠使PLC實時采集礦井通風機風壓和風機電壓、電流等，PLC外擴了一個EM235的模擬量模塊，由此壓力傳感器T2采集得到輸出的4～20 mA信號就能夠直接接入模擬量擴展模塊的輸入端。

3.1.3 變頻器選型

根據(jù)通風機監(jiān)測系統(tǒng)采集驅(qū)動電機的原理和要求，選擇的是型號為MM3117的變頻器，調(diào)速的方法利用的是U/F控制方式，能夠達到平滑調(diào)速、節(jié)能省電的效果。因為監(jiān)測系統(tǒng)使用的是串口通信方式，使用變頻器時僅需要完成變頻器的串口接線，大大降低了變頻器接線難度。變頻器與PLC之間也采用串口相連，將PLC通信端口0連接變頻器的RS485接口，由陽極9針D型插頭將二者接通。PLC控制器與變頻器之間的通信采用USS協(xié)議實現(xiàn)。

3.1.4 其他硬件選型

礦井通風機監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器涉及監(jiān)測風壓大小的壓力傳感器T1、監(jiān)測風機電壓、電流實時數(shù)據(jù)的電壓傳感器T2和電流傳感器T3。根據(jù)通風機監(jiān)測系統(tǒng)要求，選擇了CYBZI系列中量程為0～3 kPa的壓力傳感器，選擇了型號為CHV-25P的電壓傳感器，選擇了型號為CHB-25NP的電流傳感器。光電編碼盤選擇來自O(shè)MRON公司生產(chǎn)的5線制光電編碼盤，分別為A相、B相、Z相、5/24 V、0 V（COM），分辨率高達600 P/r。光電編碼盤使用時其輸出端A、B、Z與PLC輸入端相連，24 V電源和接地端分別與PLC的24 V電源和GND端相連。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 主程序

監(jiān)測系統(tǒng)的主程序完成PLC與變頻器通信、風機手動和自動變頻運行、子程序調(diào)用和風機故障報警等工作，主程序工作流程如圖3所示。程序啟動之后先進行PLC和變頻器通信參數(shù)的初始化并激活變頻器，之后依次調(diào)用參數(shù)初始化子程序和模擬量模塊檢查子程序，完成風機轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)、風機風壓等參數(shù)寄存器地址的初始化，確定EM235模塊連接是否正常，不正常則程序停止運行，若連接正常，固頻啟動驅(qū)動電機和調(diào)用子程序，監(jiān)測風機電壓、電流等參數(shù)數(shù)值。判斷變頻器是否故障、風量是否超限等，沒有問題之后可以控制電機的啟停和轉(zhuǎn)向等，讀取變頻器數(shù)據(jù)并進行電機變頻調(diào)速控制。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)主程序工作流程

3.2.2人機交互界面

人機交互界面主要用于生產(chǎn)控制通風機，通過人機交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)風機狀態(tài)的實時監(jiān)測和遠程控制，在工程瀏覽器目錄中選擇畫面新建，將新建的畫面名稱編輯為監(jiān)控系統(tǒng)主界面，之后設(shè)置主界面的大小和顏色等，設(shè)置完成即可點擊確定鍵完成主界面的建立。在主界面中使用工具箱內(nèi)部圖庫完成風機系統(tǒng)界面設(shè)計，設(shè)計完成的主界面如圖4所示。由圖4看出通風機監(jiān)測系統(tǒng)主界面中包括了“下拉菜單”“監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示面板”“風機運行控制面板”“轉(zhuǎn)速整定面板”“報警指示燈面板”和“變頻器參數(shù)控制區(qū)”六部分，實現(xiàn)了礦井通風機運行狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測與遠程控制。

4 工程應用效果

為了驗證通風機監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的合理性和可行性，將其應用于該煤礦服役中的通風機中進行工程應用，跟蹤記錄應用效果情況，結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了通風機運行參數(shù)的實時監(jiān)測和遠程控制功能。統(tǒng)計結(jié)果顯示，相較于沒有監(jiān)測系統(tǒng)之前，增加監(jiān)測系統(tǒng)的礦井通風機具有故障報警功能，降低了近16%的故障排查時間，進而節(jié)約了2～3名設(shè)備保全人員，能夠?qū)崟r監(jiān)測通風機運行參數(shù)，確保了井下作業(yè)人員的安全，提高了通風機有效工作時間，預計能夠為煤炭企業(yè)產(chǎn)生經(jīng)濟效益近40萬元/年，取得了很好的應用效果。

圖4 人機交互主界面