PLC監控系統在對旋軸流風機上的應用研究

韻 凱

(西山煤電集團公司 機電處，山西 太原 030050)

·技術經驗·

PLC監控系統在對旋軸流風機上的應用研究

韻 凱

(西山煤電集團公司 機電處，山西 太原 030050)

為了提高礦井主通風機的可靠性和安全性，對西山煤電西銘礦冀家溝風機房使用的2臺對旋主通風機進行性能測試，并結合日常人工手動操作風機所發現的問題，利用電機內部自帶的溫度傳感器，壓力傳感器、高開柜內選取電壓、電流等信號，將風機蝶形風門遠控點、高開柜遙控信號的接入，運用“PLC+工業以太網+IPC”的監控模式，對主通風系統監控和遠程操作進行了改造，達到了煤礦主通風機的高效運行、在線監測、遠程監控及操作，為礦井安全生產提供了重要保證。

對旋軸流風機；性能測試；PLC；監控系統；遠程操作

煤礦生產主要是地下作業，自然條件比較復雜，只有少數井巷與地面相通。為保證安全生產，必須對礦井不斷輸入新鮮空氣并排出污濁空氣。主通風機也稱為主扇，是煤礦非常重要的地面大型設備，它能夠有效防止井下瓦斯的聚集，進一步降低瓦斯爆炸的可能性，為確保礦井安全生產提供保障。我國煤礦安全規程規定，當主通風機突然停機時，必須保證在10 min內恢復向礦井供風，因此，對主扇風機主要性能參數的實時掌控和調整是非常必要的。西山煤電集團公司西銘礦冀家溝主通風機一直使用傳統的通風控制系統，即簡單繼電器+接觸器的控制系統，并人為對現場設備的電流表、電壓表、負壓計、流量計等監測表/計進行巡查監督記錄，對現場的閥門和開關設備等進行手動操作。發現通風控制系統出現問題進行處理或正常倒機操作時，往往存在程序繁瑣，操作過程時間長，容易出現誤操作等問題，最終造成井下瓦斯超限的安全隱患。所以，必須對舊的風機監控和操作系統進行改造。

1 PLC監控系統的原理結構及特點

1.1 煤礦用對旋軸流風機的工作特性曲線

軸流式通風機的實際工作特性可以用3條曲線來表示[1]，分別是風壓特性曲線、功率特性曲線和效率曲線，見圖1.

圖1 軸流式通風機特性曲線圖

由圖1風壓特性曲線可以看出，主扇風機的風量呈減小趨勢，而全壓值在曲線圖上所表現出來的是先增加再減小又增加的形態。造成了小流通風量區域通風機的特性曲線出現了駝峰形狀，因此，主扇通風機在實際運行中不建議在此區域工作。

由圖1功率特性曲線可以看出，主扇風機電機軸的功率在主風機不帶任何負載時達到了最大，隨著風門慢慢開啟，風量慢慢的增加，主扇軸功率逐漸減小。因此，為了保護電機，避免電機啟動過載保護動作，主通風機啟動時閥門必須全部開啟。

西銘礦冀家溝風機房使用的是北京燕京風機廠生產的FBCDZ-8-№28 (2×355 kW)軸流風機，通過對主通風機進風量截面的控制，達到調節風量的目的。根據上述3條軸流風機特性曲線的特點，按照不同風量測量下的風壓、功率等參數采取給定工作頻率的不同，或者調整了風葉葉片角度等方法，使用PLC監控系統來調節主扇的風量，保證主扇的高效經濟運行。

1.2 PLC監控系統對主通風機的數據監控

主通風機運行的主要參數監測主要有以下幾點：

1) 風機參數：負壓、靜壓、流量、效率、軸承溫度、軸承振動。

2) 通風機電參數測量內容包括：電流、電壓、功率、功率因數及電度。通過對這些電參數的監測，可以確定通風機的輸入功率、輸出功率、風機的效率，同時，也可以了解通風機當前的運行狀態，有利于發現電動機的故障。

3) 開關量狀態：饋出口柜狀態、進線柜的狀態、聯絡柜狀態、電機是否運行、電機處于正轉還是反轉、風機是否運行、蝶閥以及風門是開啟還是關閉，有無故障報警。

主通風機在線監控系統就是通過安裝在風機各處的傳感器，獲得風機運行的實時參數，在上位機中對數據進行直觀的觀察分析，判斷風機運行是否正常，是否存在故障隱患，保證風機的正常運行。

由于施工企業的項目有著分布廣的特性，為此持續的財務監督是必不可少的。通過將綜合檢查和專項檢查相結合，自查和互查相結合，從而形成全方位覆蓋的監督監察網，保證施工企業工程項目部的財務管理有效性、防止成本失控與效益的流失。要將檢查作為日常檢查制度，實行業務考核制度，有效提高制度的執行力，提高員工的工作積極性。

1.3 主通風機在線監測所采用的組成結構方式

冀家溝主扇在線監測運用的是西門子公司PLC+工業以太網+工業個人計算機(IPC)的監控模式，從風機和蝶閥等現場設備采集的數據與PLC之間是采用過程現場總線的通信方式，工程師控制站與PLC之間應用點對點的多點通信方式，上層網絡和上位機之間采用色散管理與相位共軛技術的通信方式(圖2).在線監測改造使用的是西門子公司S7-300系列的PLC，將這一系列的PLC用作下位機，上位機使用工控機，在監控室安裝控制柜，并且將信號采集設備和控制輸出設備放于控制柜內，能夠實現信號的數據采集與實時監測，數據的記錄及分析，風機的故障報警、遠程控制，數據的遠程傳送、診斷。

圖2 軸流風機監控系統網絡拓撲結構示意圖

2 新在線監測監控系統的硬件組成

冀家溝風機房的在線監測控制系統按照功能模塊化思路設計，主要由AI模塊、DI模塊、DO模塊，上位工控機數據監控，風機數值采集、控制PLC模塊、網絡遠程數據控制模塊等組成(圖3).

圖3 主扇控制系統功能結構框圖

2.1 傳感器與執行機構

風機就地各個信號的測量是通過多種類型的傳感器經變送器轉換信號后實現。其中電機運行參數是重點[2]，根據通風機的特點與現場的具體要求，冀家溝主通風機采用的是佳木斯電機廠生產的電機，電機內部包含6組定子、2組前軸、2組后軸溫度傳感器。振動信號通過安裝在風機電機風筒里的振動傳感器把振動速度信號轉換成電壓信號；壓力信號則是通過引壓裝置采集局部環節差壓信號。

2.2 PLC的選型

根據冀家溝主扇通風機的工作特點，經過分析可知，其完整的控制過程需要可控變化量90個左右，系統的CPU類型選擇緊湊型-CPU 314，考慮到系統余量，參照西門子公司PLC(S7-300)系列手冊，對AI模塊、DI模塊、DO模塊、PS307、IM361、IM360、遠程網路通信模塊進行選型[3].

3 在線監測系統軟件設計

3.1 下位機的組態

按照冀家溝主風機的監控要求，安裝PLC控制程序軟件并建立程序塊，其主要包含5個FC功能塊，3個數據塊，1個組織塊OB1，1個模擬量輸出模塊FC106，1個輸入模塊FC105. 在各程序塊內進行編程(圖4).OB1循環組織塊是程序主體，主要程序都編寫在OB1中，此外主程序塊還可以調用其它各種功能或功能塊，從而實現整個系統的控制。

圖4 1#風機電機啟動柜工作啟動程序示意圖

3.2 上位機的組態

西銘礦冀家溝主扇風機在線監測系統使用的是北京昆侖泰通自動化軟件公司的監視與通用控制系統組態軟件，可以快速構造和生成監控系統所需界面，可視性好，維護性強，最終實現對風機的各項控制功能。

系統監控主界面見圖5，主通風機后臺電腦監控畫面主要有2臺風機的關鍵部位測點的實時數據，風機運行的狀態反饋，風門蝶閥的關啟反饋，開關量狀態，系統集中控制中心，報警畫面及歷史記錄，還可以實現數據報表的輸出打印。

圖5 系統監控主界面圖

4 新監控系統的投運

4.1 改造后發現的問題及處理

將冀家溝主通風機監控系統進行改造后，收到了預期的效果，但是在運行了一段時間后發現仍存在一些問題。

1) 風筒風壓的遠傳數值和通過水銀柱實地測量得到的結果有一些偏差，并且數據很不穩定。初步判斷是變送器故障，檢測后排除；經過推敲，最終確定是通訊線路的問題。經分析由于冀家溝風機房風機與后臺監控室之間有一段較長的距離，在風筒上取風壓信號后，通過1條單獨的通訊信號線經過架空桿、電纜溝等很長距離后接入監控室，并且沒有較好地進行電纜防干擾屏蔽，這些因素造成了信號的不穩定及不準確。措施使用大功率信號變送器，增強信號的輸出；優化信號走線布置，縮短線纜長度；與動力電纜同線槽布置時保持規定距離，防止干擾，最終該問題得以解決。

2) 為了監控風機電機及葉片等轉動設備造成的振動，在風筒上安裝了X軸和Y軸方向的振動監測探頭。風機運行后發現：電機及葉片結合部位肉眼觀測有明顯振動，而探頭顯示振動值幾乎為零，起不到監控作用。措施：經分析由于原廠風機出廠時并未預設振動監測位，而振動探頭的安裝位置直接決定著數據的準確性，根據廠家提供的意見把探頭通過焊接支架直接安裝在風筒外壁上，振動傳導到這里已經非常微弱，體現不出關鍵部位的振動情況，后來根據風機風筒結構及長期觀察振動較大部位，最終確定了振動探頭在風筒內部風機電機支架底部的安裝位置，現已長期運行，數值顯示精準。

4.2 改造后的使用效果

冀家溝主通風機新監控系統改造以后，經過長時間的運行觀察，系統運行非常平穩，PLC動作正常，后臺操作界面顯示友好，各系統通信較為暢通，主通風機的所有關鍵測點和參數都能夠在后臺機上直接查看，報警提示非常醒目及時，風門及電機的操作也全部從后臺電腦進行。經過實測，在模擬事故狀態下的倒機操作只需要3 min就能全部完成，降低了運行人員的勞動強度，提高了設備的可靠性。

5 結 語

利用“PLC+工業以太網+ IPC”技術對冀家溝風機房監控操作系統進行改造，提高了設備的可靠性，降低了勞動強度，提高了安全系數，確保了井下工人的生命安全，提高了企業的生產效率和經濟效益，值得推廣。

[1] 張 俊，姚金林．GAF型礦用軸流式主要通風機現場性能測試[J]．煤礦科學技術，2005(3)：22-25.

[2] 崔 鑫，李繼勇．PLC在煤礦主通風機自動控制系統的應用[J]．煤礦機械，2004(4)：25-28.

[3] 王嘯東.PLC控制系統設計方法解析[J].自動化與儀器儀表，2011(1)：43-48．

Application of PLC Monitoring System in Counter-rotating Axial Fan

YUN Kai

For the improvement of the reliability and safety in main ventilation fan, the performance of the two main fans in Ximing coal mine( which is under xishan coal and electricity group) is measured and analyzed. Combined with the already known problems during daily manual operation. Data from the temperature sensor and pressure sensor inside the motor are collected, voltage and current signals from high voltage switch cabinet also being introduced, the butterfly shaped air-door remote signal and remote operation signal from high voltage cabinet adopted, together with the PLC+Industrial Ethernet+IPC Monitoring mode, the monitoring and remote operation system are totally upgraded, so to achieve the on-line monitoring, remote monitoring and operation, efficiency increased and safety production guaranteed.

Counter-rotating axial fan; Performance test; PLC; Monitoring system; Remote operation

2016-11-21

韻 凱(1982—)，男，山西清徐人，2005年畢業于徐州礦院，助理工程師，主要從事礦山機電技術及管理工作

(E-mail)864800523@qq.com

TD724

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1672-0652(2017)01-0017-03