煤礦主通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)PLC改造

佟智勇

（龍煤股份鶴崗分公司機(jī)電裝備部，黑龍江鶴崗154100）

0 引言

煤礦主通風(fēng)機(jī)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(shí)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(fēng)機(jī)為“礦井之肺”。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，當(dāng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，10 min內(nèi)必須啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(guān)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(shè)備出現(xiàn)老化現(xiàn)象，主通風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)因?yàn)槭褂么罅康睦^電器，觸點(diǎn)較多，造成容易發(fā)生故障的點(diǎn)很多，且發(fā)生故障后不能及時(shí)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(jìn)行查找、判斷，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能保證快速處理；同時(shí)因?yàn)榭刂苹芈肥褂?20 V直流電源，對(duì)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(jìn)行更換，對(duì)主扇的安全運(yùn)行造成很大影響。

針對(duì)上述問題，為確保礦井主通風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行，需對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)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(duì)主扇控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 使用PLC對(duì)主扇控制系統(tǒng)進(jìn)行改造的優(yōu)點(diǎn)

1）使用PLC進(jìn)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?yàn)樵械目刂葡到y(tǒng)有相當(dāng)一部分線路和設(shè)備是為了實(shí)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(shí)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(duì)系統(tǒng)中的開關(guān)、設(shè)備及觸點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并在上位機(jī)畫面顯示出來，通過對(duì)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(jìn)行邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的故障并輸出報(bào)警信息，提醒維修人員進(jìn)行處理，對(duì)司機(jī)的操作過程進(jìn)行監(jiān)視以及時(shí)發(fā)現(xiàn)操作中存在的錯(cuò)誤，保證風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全。

3）使用高速計(jì)數(shù)模塊和編碼器對(duì)主通風(fēng)機(jī)風(fēng)門進(jìn)行控制，直接控制風(fēng)門上提和下放行程，使之控制更加精確。設(shè)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(dòng)、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)備壽命長、顯示畫面分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

4）PLC具有通訊功能，可以與計(jì)算機(jī)直接或通過通信處理單元、通信轉(zhuǎn)接器相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的交換，滿足實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控或與其他控制設(shè)備通信的要求。

2 PLC改造的硬件設(shè)備選型

根據(jù)礦井主通風(fēng)機(jī)控制要求，采用西門子S7-300系統(tǒng)。該P(yáng)LC控制器為中型機(jī)，采用模塊式結(jié)構(gòu)，各種單獨(dú)模塊之間可以根據(jù)需要進(jìn)行廣泛組合和擴(kuò)展，模塊的輸入輸出端口均采用光電隔離和濾波。具體結(jié)構(gòu)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(wù)，最大可擴(kuò)展512點(diǎn)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(hào)電平轉(zhuǎn)換成S7-300的內(nèi)部信號(hào)電平。選用直流16點(diǎn)輸入型，使用2塊，共32個(gè)輸入點(diǎn)；4）模擬量輸入模塊使用SM331，模塊各個(gè)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(gè)輸入通道；5）數(shù)字量輸出使用SM322，選用16點(diǎn)繼電器輸出型，使用2塊，共32個(gè)輸出點(diǎn)；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(hào)轉(zhuǎn)換為成比例的電流或電壓信號(hào)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)或控制。采用4AO×12位模塊1塊；7）高速計(jì)數(shù)模塊使用FM350，如果使用編碼器對(duì)風(fēng)門的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，可以采用該模塊對(duì)編碼器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)采集，計(jì)算轉(zhuǎn)換成風(fēng)門的位移值，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)門位置的精準(zhǔn)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(hào)，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(hào)或4～20 mA電流信號(hào)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(hào)，這樣在程序中就可以對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視、比較、處理，邏輯判斷，從而對(duì)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)的電流電壓進(jìn)行程序比較，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電源欠壓或過壓故障以及電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)過電流等故障問題，輸出報(bào)警或輸出跳閘信號(hào)，防止事故的擴(kuò)大，還可以將電流電壓數(shù)值實(shí)時(shí)的在畫面上進(jìn)行顯示。

2）PLC需要采集的數(shù)字量（DI）包括：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)柜真空接觸器開關(guān)狀態(tài)，高開柜的各個(gè)隔離開關(guān)的位置狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)保護(hù)儀保護(hù)輸出報(bào)警或跳閘信號(hào)，風(fēng)門限位開關(guān)的狀態(tài)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)開關(guān)狀態(tài)值以及原設(shè)備需要保留的一些開關(guān)量狀態(tài)值。在程序中通過對(duì)各個(gè)開關(guān)量的采集、邏輯比較和判斷可以檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)是否正常，在倒機(jī)操作時(shí)還可以對(duì)司機(jī)的操作過程進(jìn)行監(jiān)視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)操作錯(cuò)誤并報(bào)警。

3）PLC需要輸出的開關(guān)量（DO）包括：一些原有由繼電器控制的指示燈指示，報(bào)警信息的輸出，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)控制輸出信號(hào)，以及顯示畫面需要的開關(guān)量輸出等。開關(guān)量的DI/DO輸入輸出均使用歐姆龍24 V繼電器進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，防止干擾信號(hào)對(duì)PLC的影響，歐姆龍繼電器經(jīng)過在PLC控制系統(tǒng)的長期運(yùn)行，證明其可靠性非常高。

4 改造方案的技術(shù)難點(diǎn)

1）PLC控制系統(tǒng)與老系統(tǒng)設(shè)備的對(duì)接融合問題，包括PLC控制需要接入的DI/DO，AI/AO的信號(hào)的采集和輸出控制信號(hào)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(shè)計(jì)合適的電流電壓轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2）PLC控制系統(tǒng)和觸摸屏控制程序的編制，因?yàn)橹魃冗\(yùn)行要求有很高的安全性、可靠性，控制程序的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用，必須充分考慮系統(tǒng)運(yùn)行可能出現(xiàn)的任何問題、現(xiàn)象，并針對(duì)性地進(jìn)行判斷、解決。觸摸屏畫面設(shè)計(jì)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(gè)觸點(diǎn)的狀態(tài)信息），保證主扇司機(jī)通過畫面顯示對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息及時(shí)全面地了解。

5 結(jié)語

新陸煤礦主通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)改造后，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，故障率低，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主扇運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，確保了主通風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期效果。