煤礦局扇風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 杰

（陽(yáng)煤二礦機(jī)電工區(qū)， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中，局扇風(fēng)機(jī)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(chǎn)安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。在局部通風(fēng)機(jī)中應(yīng)用智控技術(shù)，可以有效提升通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效率，確保生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)有序開(kāi)展，降低能源消耗和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，獲得更高的調(diào)速精度[1]。

1 局風(fēng)扇系統(tǒng)的構(gòu)建淺析

礦井局扇風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用2臺(tái)相同功能的軸流風(fēng)機(jī)，每臺(tái)局扇風(fēng)機(jī)由8極變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)容量為450 kW電壓是10 kV。該局扇風(fēng)機(jī)還配有電機(jī)溫度測(cè)量元件Pt100，軸承溫度測(cè)量?jī)x器，電機(jī)除濕加熱器，阻尼器和開(kāi)閉裝置風(fēng)門，通局扇風(fēng)機(jī)參數(shù)（氣流，負(fù)壓等）測(cè)試儀表，帶RS485接口。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率與手動(dòng)頻率之間的變頻器輸出；同時(shí)，系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)局扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

1）溫度參數(shù)：定子溫度、軸前后軸的溫度、風(fēng)扇的溫度。

2）電氣參數(shù)：三相電壓、電流、工頻、有功、無(wú)功功率、功率因數(shù)。

3）風(fēng)扇振動(dòng)參數(shù)：水平和垂直振動(dòng)參數(shù)。

4）風(fēng)扇狀態(tài)參數(shù)：油門位置和電機(jī)啟停狀態(tài)參數(shù)。

5）局扇風(fēng)機(jī)參數(shù)：局扇風(fēng)機(jī)靜壓、局扇風(fēng)機(jī)總壓力、風(fēng)管氣體和一氧化碳濃度、空氣流量、環(huán)境溫度和濕度等參數(shù)。

2 局扇風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

局扇風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別用于自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量和自動(dòng)監(jiān)測(cè)風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)硬件利用S7-300系列PLC的可靠性，并將其作為控制系統(tǒng)的核心，另一部分組成包括傳感器、變送器、觸摸屏、電參數(shù)采集模塊（包括電壓，電流變壓器）、溫度檢測(cè)儀、電腦、報(bào)警器等，通過(guò)通訊接口與局扇風(fēng)機(jī)參數(shù)測(cè)試儀，局扇風(fēng)機(jī)變頻設(shè)備，智能電源相互連接，監(jiān)測(cè)、收集阻尼器和風(fēng)扇的相關(guān)參數(shù)，上傳數(shù)據(jù)到PC監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)度中心，對(duì)空氣、煤氣、壓力和溫度等其他局扇風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程編程和遠(yuǎn)程診斷。使用控制器輸出數(shù)據(jù)信號(hào)，變頻器根據(jù)反饋數(shù)據(jù)，合理調(diào)節(jié)風(fēng)量，保證規(guī)定范圍內(nèi)的礦井空氣質(zhì)量，提高局扇風(fēng)機(jī)效率，從而節(jié)約成本資源。S7-300系列PLC是對(duì)局扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控的系統(tǒng)核心，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示[2]。

圖1 局扇風(fēng)機(jī)組自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

3 局扇風(fēng)機(jī)智控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及參數(shù)檢測(cè)

3.1 PLC模塊的選擇

該系統(tǒng)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(gè)數(shù)字量輸出模塊 SM322（DO16×DC24 V/0.5 A），4 個(gè)SM331模擬量輸入模塊（AI8×16位），3個(gè)數(shù)字量輸入模塊SM321（DI16×DC24 V）。系統(tǒng)可執(zhí)行主要參數(shù)的檢測(cè)：

1）風(fēng)壓檢測(cè)。為了確保局扇風(fēng)機(jī)的安全高效運(yùn)行，需要檢測(cè)風(fēng)扇的速率、風(fēng)壓和流量。系統(tǒng)壓力檢測(cè)采用GPD5差壓傳感器和GP5000負(fù)壓傳感器。傳感器將壓力或流量轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流模擬量輸入到模塊 SM331，4～20 mA電流被轉(zhuǎn)換為 0～27 648數(shù)字量數(shù)量由SM331發(fā)送給CPU。

圖2 S7-300的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2）溫度檢測(cè)。電機(jī)溫度和風(fēng)扇軸溫度的檢測(cè)是電機(jī)溫度的重要參數(shù)。礦井通局扇風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致局扇風(fēng)機(jī)不工作。溫度傳感器主要用于收集前后軸承溫度，電機(jī)定子溫度，該系統(tǒng)中的支撐軸承溫度等。由于鉑熱的高量程和測(cè)量精度，該系統(tǒng)使用PT100鉑熱電阻溫度傳感器來(lái)收集系統(tǒng)的溫度參數(shù)[3-4]。

3）振動(dòng)強(qiáng)度檢測(cè)。系統(tǒng)檢測(cè)風(fēng)扇軸承在水平方向和垂直方向的振動(dòng)，將采用振動(dòng)位移傳感器與變送器的組合，軸承的前后安裝電機(jī)振動(dòng)傳感器，電機(jī)軸承的振動(dòng)強(qiáng)度為線性由模塊SM331轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)，并將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)數(shù)量（在0～27 648之間）由模塊SM331發(fā)送給CPU。

4）電氣參數(shù)的測(cè)量。電氣參數(shù)是評(píng)估局扇風(fēng)機(jī)性能和監(jiān)測(cè)局扇風(fēng)工作機(jī)性能的重要指標(biāo)。電氣參數(shù)可以了解風(fēng)扇的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)電機(jī)，有利于安全運(yùn)行。系統(tǒng)的電氣參數(shù)包括三個(gè)三相電壓、三相電流、有功功率、無(wú)功功率、工頻、功率因數(shù)和其他參數(shù)。系統(tǒng)使用電力參數(shù)變送器來(lái)監(jiān)視電力參數(shù)，采用RS485總線方式傳輸功率參數(shù)。

5）測(cè)量氣體濃度。氣體的主要成分是甲烷。氣體濃度的測(cè)量選擇風(fēng)扇的出風(fēng)口或礦井底部。為了精確控制濃度，在出風(fēng)口和底部選擇礦井瓦斯傳感器進(jìn)行檢測(cè)甲烷濃度，傳感器具有聲光報(bào)警和顯示功能，同時(shí)具有多路信號(hào)輸出格式和報(bào)警顯示功能，可與信號(hào)采集和監(jiān)測(cè)相匹配煤礦系統(tǒng)[5]。

3.2 變頻設(shè)備的設(shè)計(jì)

變頻系統(tǒng)為一臺(tái)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)，及一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)局扇風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行。系統(tǒng)控制風(fēng)扇的運(yùn)行速度，改善運(yùn)行工況，通過(guò)逆變器達(dá)到節(jié)能效果。該系統(tǒng)使用專用發(fā)電機(jī)MM430變頻器，MM430內(nèi)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(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)等功能，輸出功率大范圍從7.5～250 kW，其中有一個(gè)集成的485通訊接口，變頻裝置還包括一個(gè)自動(dòng)旁路柜。

4 局扇風(fēng)機(jī)智控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要有兩部分：總控中心的軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，這兩部分控制整個(gè)系統(tǒng)。

4.1 總控中心的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)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(tǒng)初始化程序、電機(jī)啟動(dòng)、停止控制程序、故障診斷和報(bào)警、頻率控制程序、模擬采集過(guò)程等功能。初始化部分包括各種預(yù)置參數(shù)的初始化值，檢測(cè)硬件系統(tǒng)和電源，在確認(rèn)過(guò)程準(zhǔn)確后，啟動(dòng)控制系統(tǒng)，模擬采集程序已經(jīng)收集了氣體濃度、溫度、空氣壓力、振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)換功能。

4.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的PC監(jiān)控軟件采用西門子WinCC組態(tài)軟件。組態(tài)軟件是局扇風(fēng)機(jī)與操作員工之間的互動(dòng)界面。這是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視與控制核心，用于安排和管理整個(gè)系統(tǒng)。監(jiān)視器屏幕可以顯示監(jiān)視參數(shù)信息，報(bào)警和設(shè)備故障情況[6]。

5 結(jié)論

礦用變頻局扇風(fēng)機(jī)智控系統(tǒng)不僅可對(duì)風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且可對(duì)風(fēng)扇故障進(jìn)行檢測(cè)與診斷。該系統(tǒng)具有良好的交互性，可以在統(tǒng)一的平臺(tái)上查詢、顯示和控制系統(tǒng)，保證局扇風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。