煤礦局扇風機智能控制系統設計

徐 杰

（陽煤二礦機電工區， 山西 陽泉 045000）

引言

煤礦通風系統中，局扇風機主要用于降低礦井工作面溫度，為礦井提供新鮮空氣、稀釋、去除甲醛、除塵，是保證礦井生產安全穩定可靠運行的關鍵設備。在局部通風機中應用智控技術，可以有效提升通風系統運行效率，確保生產作業活動有序開展，降低能源消耗和設備維護費用，獲得更高的調速精度[1]。

1 局風扇系統的構建淺析

礦井局扇風機系統采用2臺相同功能的軸流風機，每臺局扇風機由8極變頻電機驅動，電機容量為450 kW電壓是10 kV。該局扇風機還配有電機溫度測量元件Pt100，軸承溫度測量儀器，電機除濕加熱器，阻尼器和開閉裝置風門，通局扇風機參數（氣流，負壓等）測試儀表，帶RS485接口。該系統可實現自動頻率與手動頻率之間的變頻器輸出；同時，系統可以監測局扇風機運行狀態的實時數據。

1）溫度參數：定子溫度、軸前后軸的溫度、風扇的溫度。

2）電氣參數：三相電壓、電流、工頻、有功、無功功率、功率因數。

3）風扇振動參數：水平和垂直振動參數。

4）風扇狀態參數：油門位置和電機啟停狀態參數。

5）局扇風機參數：局扇風機靜壓、局扇風機總壓力、風管氣體和一氧化碳濃度、空氣流量、環境溫度和濕度等參數。

2 局扇風機自動監控系統的設計

局扇風機監控系統主要由兩部分組成，分別用于自動調節風量和自動監測風扇的運行狀態。系統硬件利用S7-300系列PLC的可靠性，并將其作為控制系統的核心，另一部分組成包括傳感器、變送器、觸摸屏、電參數采集模塊（包括電壓，電流變壓器）、溫度檢測儀、電腦、報警器等，通過通訊接口與局扇風機參數測試儀，局扇風機變頻設備，智能電源相互連接，監測、收集阻尼器和風扇的相關參數，上傳數據到PC監控系統和調度中心，對空氣、煤氣、壓力和溫度等其他局扇風機參數進行連續監測，系統支持遠程編程和遠程診斷。使用控制器輸出數據信號，變頻器根據反饋數據，合理調節風量，保證規定范圍內的礦井空氣質量，提高局扇風機效率，從而節約成本資源。S7-300系列PLC是對局扇風機進行自動監控的系統核心，自動監控系統如圖1所示[2]。

圖1 局扇風機組自動監控系統示意圖

3 局扇風機智控系統的硬件設計及參數檢測

3.1 PLC模塊的選擇

該系統使用SIEMENSS7 300系列PLC，如圖2所示，硬件包括電源模塊，CPU314模塊，2個數字量輸出模塊 SM322（DO16×DC24 V/0.5 A），4 個SM331模擬量輸入模塊（AI8×16位），3個數字量輸入模塊SM321（DI16×DC24 V）。系統可執行主要參數的檢測：

1）風壓檢測。為了確保局扇風機的安全高效運行，需要檢測風扇的速率、風壓和流量。系統壓力檢測采用GPD5差壓傳感器和GP5000負壓傳感器。傳感器將壓力或流量轉換為4～20 mA電流模擬量輸入到模塊 SM331，4～20 mA電流被轉換為 0～27 648數字量數量由SM331發送給CPU。

圖2 S7-300的硬件結構示意圖

2）溫度檢測。電機溫度和風扇軸溫度的檢測是電機溫度的重要參數。礦井通局扇風機監控系統中，當溫度過高時，會導致局扇風機不工作。溫度傳感器主要用于收集前后軸承溫度，電機定子溫度，該系統中的支撐軸承溫度等。由于鉑熱的高量程和測量精度，該系統使用PT100鉑熱電阻溫度傳感器來收集系統的溫度參數[3-4]。

3）振動強度檢測。系統檢測風扇軸承在水平方向和垂直方向的振動，將采用振動位移傳感器與變送器的組合，軸承的前后安裝電機振動傳感器，電機軸承的振動強度為線性由模塊SM331轉換成4～20 mA電流信號，并將電流信號轉換為數字信號數量（在0～27 648之間）由模塊SM331發送給CPU。

4）電氣參數的測量。電氣參數是評估局扇風機性能和監測局扇風工作機性能的重要指標。電氣參數可以了解風扇的當前運行狀態和故障狀態電機，有利于安全運行。系統的電氣參數包括三個三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、工頻、功率因數和其他參數。系統使用電力參數變送器來監視電力參數，采用RS485總線方式傳輸功率參數。

5）測量氣體濃度。氣體的主要成分是甲烷。氣體濃度的測量選擇風扇的出風口或礦井底部。為了精確控制濃度，在出風口和底部選擇礦井瓦斯傳感器進行檢測甲烷濃度，傳感器具有聲光報警和顯示功能，同時具有多路信號輸出格式和報警顯示功能，可與信號采集和監測相匹配煤礦系統[5]。

3.2 變頻設備的設計

變頻系統為一臺驅動兩臺，及一臺變頻器控制兩臺局扇風機同時運行。系統控制風扇的運行速度，改善運行工況，通過逆變器達到節能效果。該系統使用專用發電機MM430變頻器，MM430內置PID控制器，具有很高的靈活性和可靠性，逆變器具有完善的性能，包括過壓保護、過溫保護、短路保護等功能，輸出功率大范圍從7.5～250 kW，其中有一個集成的485通訊接口，變頻裝置還包括一個自動旁路柜。

4 局扇風機智控系統的軟件設計

系統的軟件設計主要有兩部分：總控中心的軟件設計和上位機軟件設計，這兩部分控制整個系統。

4.1 總控中心的軟件設計

該系統使用STEP-7編程。PLC 程序部分包括主程序和控制程序。其中主程序包括系統初始化程序、電機啟動、停止控制程序、故障診斷和報警、頻率控制程序、模擬采集過程等功能。初始化部分包括各種預置參數的初始化值，檢測硬件系統和電源，在確認過程準確后，啟動控制系統，模擬采集程序已經收集了氣體濃度、溫度、空氣壓力、振動信號和轉換功能。

4.2 上位機監控軟件設計

本系統的PC監控軟件采用西門子WinCC組態軟件。組態軟件是局扇風機與操作員工之間的互動界面。這是整個系統的監視與控制核心，用于安排和管理整個系統。監視器屏幕可以顯示監視參數信息，報警和設備故障情況[6]。

5 結論

礦用變頻局扇風機智控系統不僅可對風扇運行狀態進行監測，而且可對風扇故障進行檢測與診斷。該系統具有良好的交互性，可以在統一的平臺上查詢、顯示和控制系統，保證局扇風機穩定運行。