基于PLC 的煤礦主通風機運行監(jiān)控系統(tǒng)設計與研究

張小路

（西山煤電馬蘭礦實業(yè)分公司，山西 古交 030205）

引言

受煤礦井下復雜惡劣的環(huán)境影響，井下的通風性隨著礦井巷道的深度及數(shù)量增加而急劇下降，大量的粉塵及瓦斯等有害氣體成為影響井下作業(yè)安全性的主要因素[1-3]。煤礦主通風機作為井下主要通風設備，其運行可靠性及效率是保證井下空氣穩(wěn)定交換的關鍵。由于井下惡劣環(huán)境影響加之沒有采取有效監(jiān)測方式，多數(shù)煤礦主通風機的故障率居高不下，同時其啟動及運行方式落后，造成的電能損耗十分巨大，因此設計一套運行可靠、性能良好的主通風機監(jiān)控系統(tǒng)對于促進智能化煤礦建設至關重要。

目前多數(shù)針對煤礦主通風機的監(jiān)控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)直接啟停及部分工況參數(shù)采集等簡單功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，監(jiān)測量及監(jiān)控精度十分有限，且數(shù)據(jù)交互性較差，無法實現(xiàn)對主通風機的智能控制及實時在線監(jiān)測。針對上述問題，本文在傳統(tǒng)主通風機監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上利用以太網(wǎng)對系統(tǒng)通信網(wǎng)絡進行架構(gòu)，采用主從PLC 控制結(jié)構(gòu)及多參數(shù)采集模塊對井下通風系統(tǒng)各分散設備進行集中監(jiān)控，有效提高了系統(tǒng)可監(jiān)測數(shù)量及監(jiān)控精度，在實現(xiàn)對主通風機各運行狀態(tài)的全面、實時、精確監(jiān)測的同時通過變頻控制實現(xiàn)對風機的軟啟動，有效降低了通風機能耗，為井下高效、安全生產(chǎn)提供了可靠保證。

1 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)的主要設計方案是在風機直接啟停及部分工況參數(shù)采集功能的基礎上通過集成監(jiān)測范圍更為全面的參數(shù)采集模塊、PLC 主控器及通信網(wǎng)絡的架構(gòu)實現(xiàn)風機運行狀態(tài)全方位監(jiān)測、變頻節(jié)能控制、故障預警診斷及智能化管控界面等功能，其控制原理如圖1 所示。

由圖1 可知，當系統(tǒng)運行時，上位機根據(jù)所采集參數(shù)向PLC 主控器下達控制指令，再由PLC 主控器輸出響應控制信號控制變頻器改變電機頻率，從而實現(xiàn)主通風機風量自適應調(diào)整等功能，在整個控制過程中參數(shù)采集模塊將對風機運行參數(shù)進行實時采集和反饋。

圖1 主通風機監(jiān)控系統(tǒng)控制原理

為了進一步提高系統(tǒng)控制精度及響應速度，系統(tǒng)采用主從PLC 控制結(jié)構(gòu)在主風機、備用風機及風門等監(jiān)測點分別設置多組PLC 分站，組成分布式監(jiān)控系統(tǒng)，最終由PLC 主站作為各類數(shù)據(jù)及指令的匯集點通過通信網(wǎng)絡與上位機進行交互，從而有效提高系統(tǒng)運行效率。監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 主通風機監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

由圖2 可知，三臺PLC 監(jiān)控分站分別用于控制主通風機、備用風機及風門，同時對三臺主要設備的運行參數(shù)進行獨立采集實時上傳，最終將傳感器信號匯總至PLC 監(jiān)控主站，由PLC 主站集中上傳至上位機。在通信方面，系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)+RS485 總線組合通信方式對監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡進行架構(gòu)，上位機監(jiān)控中心與井下監(jiān)控主站采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通信，從而實現(xiàn)控制指令的下達及監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳。PLC 主站與各分站的通信采用RS485 總線通信方式，保證了數(shù)據(jù)交互的效率及可靠性。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件選型及設計

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分按照功能劃分主要包括上位機監(jiān)控模塊、主從PLC 控制模塊、變頻器及參數(shù)采集模塊等部分。PLC 主從控制器作為本系統(tǒng)的控制核心，其運算、控制及通信性能對于系統(tǒng)至關重要。本文選用西門子S7-300 PLC 作為系統(tǒng)主從下位監(jiān)控站，CPU 選用型號為315-2DP，其位運算及字運算處理時間分別可達0.05 μs、0.09 μs，其內(nèi)部集成了2 個RS485 接口及組合MPI/Profibus DP 接口，可滿足上位機-下位機、PLC 主從站間及PLC 分站-變頻器的通信需求。PLC 配置有IM153-1 型I/O 接口擴展模塊，可實現(xiàn)最多8 個I/O 模塊擴展，可滿足系統(tǒng)對I/O接口數(shù)量的需求。

數(shù)據(jù)采集模塊的主要作用是對主備通風機運行過程中的風量、風壓、電機軸承及繞組溫度、電機軸承振動、電機電壓電流等主要參數(shù)實時采集上傳，相應傳感器的選型對于系統(tǒng)的監(jiān)測精度十分重要。

針對通風機風量監(jiān)測，本文風量傳感器所選用型號為KGF2，KGF2 可測量風速范圍在0.3～15 m/s 之間，最大允許誤差可達±0.3 m/s，支持RS485 通信，可輸出4～20 mA/1～5 mA 電流信號及200～1 000 Hz/5～15 Hz 頻率信號。

本文選用GPD0.1 型礦用負壓傳感器對通風管道負壓進行監(jiān)測，GPD0.1 壓力量程為-0.1～0 MPa，可輸出4～20 mA 標準電流信號，當風機管道靜壓低于外部大氣壓力的值超出限值時，系統(tǒng)將根據(jù)所采集的負壓信號發(fā)出故障預警。

通風機在運行過程中其電機軸承及繞組會產(chǎn)生大量熱量，當溫度過高時，極易發(fā)生電機損壞、軸承抱死等嚴重故障。本文選用PT100 型溫度傳感器對通風機電機主要部件進行溫度信號采集，PT100 的溫度量程為-250～850 ℃，基本誤差可穩(wěn)定維持在0.5%FS以下，輸出信號為標準4～20 mA 電流信號或0～5/10 V電壓信號，可滿足本系統(tǒng)的溫度監(jiān)測需求。

為防止風機電機在運行過程中發(fā)生劇烈震動，本文選用KH-HZD 型礦用振動傳感器對電機軸承及葉片的振幅進行監(jiān)測，KH-HZD 振幅量程為0～50 mm/s，測量靈敏度為20 mV/（mm·s）±5%，最大測量振幅加速度為10g，可滿足本系統(tǒng)對風機振動的監(jiān)測。

在通風機電機電壓電流等電參數(shù)采集方面，本文選用DLBSMK-4 型電量變送器對通風機主要電參數(shù)進行采集，其直接輸入量程為0～1 000 V 電壓值及0～5 A 電流值，直流及交流測量精度分別為0.25%及0.5%，滿足本系統(tǒng)電參數(shù)監(jiān)測需求。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

上位機監(jiān)控軟件是實現(xiàn)主通風機運行狀態(tài)實時顯示、運行數(shù)據(jù)分析管理及啟停調(diào)速綜合控制功能的核心部分，其中系統(tǒng)所搭載的人機交互界面是實現(xiàn)上述功能的直觀監(jiān)測控制平臺，需滿足界面直觀、功能豐富、操作便捷的設計要求，系統(tǒng)人機交互界面軟件功能如圖3 所示。

圖3 煤礦主通風機運行監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能圖

上位機系統(tǒng)人機交互界面主要功能包括參數(shù)設置、狀態(tài)實時監(jiān)測、綜合控制、監(jiān)控畫面顯示、數(shù)據(jù)管理五部分。首先系統(tǒng)可完成對風機各參數(shù)報警值上限及電機啟動參數(shù)等初始狀態(tài)的設置，系統(tǒng)初始化完成后，即可對風機的風量、風壓及電機電壓、電流、振動量等主要參數(shù)進行監(jiān)控顯示，并實時繪制報表及曲線，使監(jiān)控畫面更為直觀。綜合控制除風機啟停、風門控制及故障報警等基本功能外，還可通過PID 控制對變頻器輸出進行實時調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)風機風量、風壓及功率的自適應調(diào)節(jié)，最終系統(tǒng)將對監(jiān)控數(shù)據(jù)及事件進行記錄存儲和打印。

4 系統(tǒng)應用效果分析

在完成系統(tǒng)軟硬件及通信設置后，通過人機交互界面對整個系統(tǒng)的控制及監(jiān)測運行進行了實際測試。在風機控制測試方面，通過上位機對主風機進行自動啟停控制可在1 min 內(nèi)完成全部動作，模擬主風機故障自動切換至備用風機流程可在2 min 內(nèi)完成。在主風機運行狀態(tài)監(jiān)測測試方面，首先控制風機啟動并穩(wěn)定運行后，持續(xù)采集風機12 h 不間斷運行下每隔1 h的各項運行參數(shù)，共計12 組運行參數(shù)，系統(tǒng)監(jiān)測部分運行結(jié)果如下頁表1 所示。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)運行測試各項監(jiān)測參數(shù)結(jié)果

5 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)煤礦主通風機監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，通過傳感器及變頻技術(shù)有效提高了監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測容量、數(shù)據(jù)傳輸性能及控制精度，系統(tǒng)通過遠程控制中心的人機交互界面實現(xiàn)對井下主通風機的運行狀態(tài)實時監(jiān)測及遠程集中控制，有效降低了人工監(jiān)控工作量，從而進一步提高了煤礦主通風機運行監(jiān)控的智能化水平。