基于PLC 的礦井通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用研究

張 良

（晉能控股集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井，山西 晉城 048205）

引言

隨著科技的發(fā)展，智能控制技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景變得越來(lái)越廣泛，為人們的生產(chǎn)生活提供了較大的便利。煤礦的安全運(yùn)行受到多種因素的制約，礦山起重設(shè)備的工作狀況對(duì)礦山的生產(chǎn)有著重要的作用，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)是煤礦安全生產(chǎn)的先決條件。在煤炭領(lǐng)域，礦井通風(fēng)機(jī)屬于關(guān)鍵設(shè)備，必須保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，必須得到足夠的重視。傳統(tǒng)的PLC 技術(shù)設(shè)備普遍缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊，一旦發(fā)生故障可能會(huì)產(chǎn)生較大的問(wèn)題，使用先進(jìn)的PLC 技術(shù)和礦井同步通風(fēng)技術(shù)，是現(xiàn)階段提高生產(chǎn)質(zhì)量的有效方法。因此，必須建設(shè)煤礦通風(fēng)管道的安全、穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)體系[1]。

1 礦井通風(fēng)方式

礦山的通風(fēng)模式通常根據(jù)其使用區(qū)域來(lái)決定。在礦山工作時(shí)間較短（10～20 年）時(shí)，其業(yè)務(wù)覆蓋全礦井；當(dāng)?shù)V山規(guī)模大，使用壽命更久（30～50 年）時(shí)，僅將15～25 年的采礦規(guī)模視為其業(yè)務(wù)區(qū)域；此時(shí)，通常提供的服務(wù)范圍為第一水平，或者包括第一、第二水平。在服務(wù)范圍以外的后期通風(fēng)系統(tǒng)，僅在設(shè)計(jì)中做簡(jiǎn)單的考慮[2]。圖1 為礦井通風(fēng)機(jī)示意圖。

圖1 礦井通風(fēng)機(jī)示意圖

2 PLC 選型

2.1 PLC 選型原則

1）在計(jì)算I/O 時(shí)，應(yīng)當(dāng)預(yù)留足夠的剩余。將輸入和出口的數(shù)值提高10%～20%，并將此區(qū)間用作可擴(kuò)充的范圍，在進(jìn)行PLC 定制時(shí)，必須依據(jù)生產(chǎn)廠家PLC 的特性來(lái)決定其輸入量。

2）存儲(chǔ)器容量指的是可編程邏輯控制器PLC 的核心硬件存儲(chǔ)單元尺寸，程序容量是儲(chǔ)存使用者程式所使用的存儲(chǔ)器的尺寸，通用程式的容量比存儲(chǔ)器容量要低。圖2 為S7-300PLC 的I/O 模塊。

圖2 S7-300PLC 的I/O 模塊

3）控制功能的選取包括運(yùn)算功能、控制功能和通信功能。根據(jù)上述原理，該設(shè)計(jì)使用的是西門子S7-300，它屬于模塊化的中小型PLC，能夠滿足中等性能的控制需求。西門子S7-300 具有許多的特點(diǎn)，可以為用戶提供編程，啟動(dòng)和維護(hù)等方面的功能，包括：指令完成速度快，S7-300 指令處理時(shí)間大約為0.1～0.6 us，高速的指令處理能夠滿足中等到較低的性能要求，并在這個(gè)范圍內(nèi)開(kāi)辟了新的應(yīng)用；人機(jī)界面友好，S7-300 的系統(tǒng)具有接口功能，便于使用，對(duì)程序的需求大為降低，通常使用的是一種簡(jiǎn)明的階梯圖形；診斷功能，S7-300 能夠?qū)Ω髟O(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)的故障和異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)地錄入，方便故障的處理；口令保護(hù)功能，S7-300 的多級(jí)口令保護(hù)，能夠保證產(chǎn)品技術(shù)機(jī)密的安全，同時(shí)也能阻止未經(jīng)允許復(fù)制以及更改程序。圖3 為S7-300 系列PLC系統(tǒng)構(gòu)成框圖。

圖3 S7-300 系列PLC 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

2.2 影響PLC 控制系統(tǒng)穩(wěn)定的干擾因素

影響PLC 的干擾因素有三種：一是各類干擾源，二是多種傳輸路徑，三是不同的接收端[3]。

2.2.1 電源引入的干擾

電源作為電子設(shè)備的“糧食”，對(duì)電子線路起著重要的作用，它的工作特性決定了其對(duì)電子設(shè)備的抗噪聲、穩(wěn)定等方面的作用。PLC 的電力供應(yīng)通常是通過(guò)電力網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雷電沖擊、開(kāi)關(guān)操作、大型電力設(shè)備啟停、換流設(shè)備造成的諧波、電網(wǎng)的短路瞬時(shí)沖擊等，造成的電力系統(tǒng)震蕩，這種電網(wǎng)波動(dòng)將會(huì)經(jīng)由傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至PLC，造成電力供應(yīng)中斷，該干擾還會(huì)對(duì)PLC 子系統(tǒng)、擴(kuò)展機(jī)箱、I/O 模板產(chǎn)生一定的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)控制中心產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致PLC 的運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題。

2.2.2 I/O 信號(hào)線引入的干擾

通過(guò)PLC 控制系統(tǒng)的集中控制，收集各類設(shè)備信號(hào)。在進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，PLC 與不同類型的信號(hào)線路會(huì)被多種外界的干擾所影響。

由于這些信號(hào)線路所造成的干擾通常會(huì)造成I/O的不正常，從而使其不能傳輸出任何有用的信息，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)使器件發(fā)生損傷和故障，從而導(dǎo)致PLC 的運(yùn)行受到極大的限制。

2.2.3 接地線引入的干擾

PLC 系統(tǒng)地線通常由系統(tǒng)地線（信號(hào)地線，模擬地線，數(shù)字地線），屏蔽地線，保護(hù)地線，交流地線等組成。地線本身具有一定的阻抗，因此，在經(jīng)過(guò)地線的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)共模電壓，這就是所謂的共模干擾。此外，還有地線上電位分布不均的問(wèn)題，這是由于對(duì)地線及其他地線的處理不善，導(dǎo)致了故障，甚至?xí)?duì)整個(gè)電網(wǎng)的工作產(chǎn)生不利的影響[4]。

2.2.4 PLC 系統(tǒng)的抗干擾措施

針對(duì)PLC 的抗干擾性，采用相應(yīng)的控制策略，盡量減少干擾，保證其穩(wěn)定工作。在減少系統(tǒng)被擾亂的情況時(shí)，可以從三個(gè)角度來(lái)分析，分別是降低干擾噪聲的強(qiáng)度，盡量降低噪聲干擾到電路的耦合因素，提升電路的抗于擾能力。

2.2.5 電源系統(tǒng)的抗干擾措施

針對(duì)電源系統(tǒng)中存在的異常和失真所造成的電力干擾，為增加電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須使用專門的電源系統(tǒng)。此外，在A/C 供電和PLC 之間，將雙屏蔽的隔離變壓器及低通濾波器加接，可對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)中的電壓和失真、電源系統(tǒng)的影響進(jìn)行控制。采用絕緣化的方法，將電源系統(tǒng)的干擾與信號(hào)的接地相分離，降低了電力系統(tǒng)對(duì)PLC 的沖擊；利用低通濾波器對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行濾波，減小了系統(tǒng)的輸出端的電壓起伏，從而改善了系統(tǒng)的供電可靠性。

2.2.6 合理布線

在PLC 設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用中，必須遵循一定的原則。在布線時(shí)，把控制線、電源線和信號(hào)線分隔開(kāi)，使它們相互有一定的間隔，這種間隔通常在30 cm 或更大時(shí)為宜。在開(kāi)關(guān)和模擬輸出的信號(hào)之間的間隔較長(zhǎng)時(shí)，一般采用屏蔽線或雙絞線；在特定的高頻段中，一般采用光纜。為了使其具有切換的通斷性，必須將其屏蔽層與點(diǎn)上的平衡導(dǎo)線并聯(lián)，同時(shí)使屏蔽層的兩個(gè)末端與接地連接；在對(duì)模擬量進(jìn)行傳送時(shí)，采用屏蔽層的方法防止干擾外部的高頻干擾。此外，為了降低外部高頻率的影響，通常需要選擇各種不同的插頭接頭。

2.2.7 接地干擾措施

當(dāng)對(duì)配電箱內(nèi)的裝置進(jìn)行連接時(shí)，必須將PLC與其他裝置隔離。在接地時(shí)，必須符合控制系統(tǒng)相同接地點(diǎn)的需求。接地電阻必須在100 Ω 以下，地導(dǎo)線的剖面面積不得少于2 mm，并與PLC 之間的間距不超過(guò)50 m。

3 PLC 軟件程序設(shè)計(jì)

STEP7 具有很強(qiáng)的PLC 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。標(biāo)準(zhǔn)版本的軟體支持LAD（梯形圖）、STL（語(yǔ)句表）和FBD（功能圖），這些都是最基礎(chǔ)的程序設(shè)計(jì)，并且可以在STEP7 中進(jìn)行交互。專業(yè)版提供了GRAPH（順序功能圖）SCL（結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言）HiGraph（圖形編程語(yǔ)言）CFC（連續(xù)功能圖）等編程語(yǔ)言的支持。各種類型的程序設(shè)計(jì)可以為具有各種知識(shí)背景的人員提供選擇[5]，如圖4、圖5 分別為風(fēng)機(jī)啟動(dòng)主程序和倒換風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制方式流程圖。

圖4 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)主程序流程圖

圖5 倒換風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制方式流程圖

4 運(yùn)行效果分析

工作人員能夠通過(guò)本系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)主通風(fēng)機(jī)的性能、狀態(tài)和內(nèi)部機(jī)械運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了解，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，預(yù)設(shè)運(yùn)行效果都得到了實(shí)現(xiàn)。通過(guò)該系統(tǒng)，能夠保證風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，提高風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，系統(tǒng)兼具使用便捷、可靠性高的特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)機(jī)自動(dòng)化管理工作的開(kāi)展有很大的幫助。該系統(tǒng)還能為設(shè)備日常管理和維護(hù)檢修工作提供可靠的數(shù)據(jù)。