基于可編程序控制器的煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□ 朱會(huì)東□ 田力勇

1.阜新高等專科學(xué)校 遼寧阜新 123000

2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 遼寧阜新 123000

1 設(shè)計(jì)背景

煤礦主扇風(fēng)機(jī)用于向井下輸送空氣，及時(shí)排出粉塵，以保障礦井生產(chǎn)安全和礦工生命安全。由于礦井井下環(huán)境條件惡劣，主扇風(fēng)機(jī)一旦發(fā)生故障，將會(huì)給礦區(qū)生產(chǎn)安全帶來重大損害，因此建立一套功能完善的風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)十分有必要[1-2]。針對(duì)當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)存在的系統(tǒng)過于簡單、部分關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測精度較低、監(jiān)測內(nèi)容不全面、未與調(diào)度中心信息系統(tǒng)集成等問題，基于S7-200系列可編程序控制器（PLC）設(shè)計(jì)了一種安全可靠、操作方便的煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)[3-4]。

2 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示，主扇由兩組對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)組成，其中一組為工作機(jī)，另一組為備用機(jī)[5]。每組通風(fēng)機(jī)采用兩臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)，并分別安置在兩個(gè)獨(dú)立的風(fēng)道中，最終匯入主風(fēng)道。在每組風(fēng)機(jī)入口處設(shè)有閘門，以便于進(jìn)行調(diào)節(jié)風(fēng)量及調(diào)換風(fēng)機(jī)等操作。在兩個(gè)風(fēng)道的出口處均配置了靜壓傳感器和差壓傳感器，用于測量并采集風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)壓和流量等參數(shù)。

圖1 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)

主扇的通風(fēng)量一般可分為一級(jí)和二級(jí)兩個(gè)級(jí)別。當(dāng)風(fēng)量為一級(jí)時(shí)，一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)量為二級(jí)時(shí)，兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行。風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的通風(fēng)方式為抽出式通風(fēng)，這種通風(fēng)方式可以起到抑制瓦斯的作用[6]。主通風(fēng)機(jī)還可以通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)向來實(shí)現(xiàn)反風(fēng)控制。

3 煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)控制方案

3.1 控制要求

煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)中，控制部分可以分為礦井主通風(fēng)機(jī)控制和風(fēng)機(jī)各種參數(shù)測量。系統(tǒng)主要由上位機(jī)、PLC、變頻器和各種傳感器構(gòu)成。PLC主要用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的采集和對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存、實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，以及打印等功能。為了礦井生產(chǎn)的安全可靠進(jìn)行，管理人員要及時(shí)掌握礦井通風(fēng)機(jī)的各種信息，實(shí)時(shí)采集風(fēng)機(jī)運(yùn)行的參數(shù)。如果有異常情況，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。

3.2 系統(tǒng)原理

煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)的原理如圖2所示。上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，配有打印機(jī)及不間斷電源，監(jiān)控軟件采集現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并具有、顯示、存儲(chǔ)、打印、報(bào)警、生成實(shí)時(shí)及歷史曲線、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。下位機(jī)采用PLC，主要負(fù)責(zé)采集各項(xiàng)分級(jí)參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

以2×185 kW對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)為例，選用S7-200 PLC、空氣壓力傳感器和變頻器等組成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中還包括接觸器、中間繼電器、熱繼電器、斷路器等系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和PLC的有效保護(hù)，以及對(duì)電機(jī)的切換控制。

圖2 煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)原理

為滿足自動(dòng)控制的要求，系統(tǒng)提供手動(dòng)、自動(dòng)兩種工作模式，并具有現(xiàn)場控制方式、狀態(tài)顯示及故障報(bào)警等功能。

3.3 系統(tǒng)組成

煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖3所示。PLC控制柜主要用于實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)，以及兩臺(tái)風(fēng)機(jī)切換過程中風(fēng)門與其它輔助設(shè)備的自動(dòng)控制。PLC采集柜由傳感器和變送器組成，主要用于采集煤礦通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中電機(jī)的溫度、振動(dòng)、電量等參數(shù)。集中監(jiān)測控制臺(tái)主要用于提供人機(jī)交流信息，通過人機(jī)界面可以對(duì)煤礦通風(fēng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)控制，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)視風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)，及時(shí)掌握風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況。PLC主要通過變頻調(diào)速裝置對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。系統(tǒng)可以根據(jù)井下風(fēng)量的要求，通過調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速來達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)速的目的，也可以根據(jù)給定的變頻器轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速[7-8]。

圖3 煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)組成

采用PLC控制，可以對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)與運(yùn)行控制，還具有監(jiān)控、聯(lián)鎖和過熱保護(hù)等功能。PLC與空氣壓力變送器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，同時(shí)使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的故障率降低，提高設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。

4 系統(tǒng)硬件選型

根據(jù)實(shí)際要求，并綜合各方面對(duì)比，基于S7-200 PLC進(jìn)行設(shè)計(jì)，該P(yáng)LC具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)。

PLC變頻器的型號(hào)為SJ700-3150HFE2，額定功率為315 kW，額定電流為600 A，額定電壓為380 V。變頻器可適配315 kW重載電機(jī)，完全滿足現(xiàn)場實(shí)際的功率需求，并留有一定的裕量。大多數(shù)變頻器都有RS 485接口，可分別使用PLC和變頻器的RS 485接口，通過通信的方式來控制設(shè)備的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速，還可以通過這種方式修改變頻器的參數(shù)。

將PLC、觸摸屏和監(jiān)控軟件結(jié)合起來，應(yīng)用于煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)電氣參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并可顯示當(dāng)前運(yùn)行的通風(fēng)機(jī)機(jī)號(hào)、正反轉(zhuǎn)信號(hào)、通風(fēng)機(jī)開停狀態(tài)，以及變電所高低壓設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和操控。

溫度傳感器選用Pt100鉑電阻傳感器。該傳感器利用金屬鉑在溫度變化時(shí)自身阻值也隨之改變的特性來測量溫度，能夠準(zhǔn)確地測出軸承或定子的溫度，并將測量值傳送至PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)被測介質(zhì)中存在溫度梯度時(shí)，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。這種溫度傳感器的特點(diǎn)為耐振動(dòng)，可靠性高，穩(wěn)定性好，同時(shí)具有精確的靈敏性[9]。

連續(xù)檢測工作時(shí)風(fēng)機(jī)軸承和電機(jī)軸承的溫度，是風(fēng)機(jī)工況監(jiān)測的一項(xiàng)重要任務(wù)。檢測時(shí)，由溫度檢測元件和變送器、電壓調(diào)制電路構(gòu)成的檢測電路與PLC進(jìn)行通信，將溫度參數(shù)上傳至工控機(jī)。根據(jù)本系統(tǒng)的監(jiān)測要求，選擇熱電阻式熱電傳感器檢測風(fēng)機(jī)溫度。

風(fēng)量傳感器選擇KGF2型礦用智能風(fēng)量傳感器，采用超聲測量原理，具有技術(shù)先進(jìn)、使用方便、長期使用穩(wěn)定可靠、免維護(hù)等特點(diǎn)。風(fēng)量傳感器主要用于煤礦井下各坑道、風(fēng)口、井口等處的風(fēng)速、風(fēng)量檢測，以確保煤礦的井下通風(fēng)安全，可與各種煤礦監(jiān)測系統(tǒng)配套使用。

選擇KGY4型負(fù)壓傳感器對(duì)風(fēng)機(jī)壓力進(jìn)行測量，用于檢測負(fù)壓的大小，為本質(zhì)安全型產(chǎn)品，適用于煤礦井下系統(tǒng)。該傳感器采用高穩(wěn)定性微型擴(kuò)散硅壓力傳感元件，具有精度高、穩(wěn)定可靠、使用方便等特點(diǎn)[10]。負(fù)壓傳感器能與各種煤礦安全及生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)配套使用。

瓦斯傳感器選擇KGJ15型智能遙控甲烷傳感器，用于檢測煤礦井下瓦斯?jié)舛取＿@一傳感器主要由黑白元件、檢測電橋、運(yùn)算放大器、模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、顯示、輸出等部分組成，是一種智能型檢測儀表，具有自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)調(diào)靈敏度、非線性補(bǔ)償?shù)裙δ埽褂梅奖悖€(wěn)定可靠。瓦斯傳感器可與國內(nèi)外各種煤礦監(jiān)測系統(tǒng)配套使用。

對(duì)風(fēng)機(jī)軸承進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測與故障診斷時(shí)，通過速度傳感器測量軸承的振動(dòng)峰值、均方根值或均值，并將這些測量值與事先標(biāo)定出的允許值作比較，指示出軸承運(yùn)行情況的正常與否。具體測試方法為：通過安裝在軸承部位的速度傳感器采集振動(dòng)烈度信號(hào)，經(jīng)過振動(dòng)變送器送PLC，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行情況。通過風(fēng)機(jī)振動(dòng)位移和振動(dòng)周期，可以反映風(fēng)機(jī)潛在的故障，避免風(fēng)機(jī)停機(jī)等嚴(yán)重故障發(fā)生。經(jīng)過比較之后，系統(tǒng)中選擇MT3T型電磁式速度傳感器。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于PLC的煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。系統(tǒng)通電后，首先進(jìn)行故障檢測，然后啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，打開風(fēng)門，通過傳感器完成通風(fēng)機(jī)軸承溫度、風(fēng)機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度及瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)采集。如果出現(xiàn)風(fēng)機(jī)軸承溫度、振動(dòng)值超限，則報(bào)警停機(jī)，如果瓦斯超限，則報(bào)警。如果沒有報(bào)警，則對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換，送至PLC，經(jīng)過運(yùn)算處理，按系統(tǒng)要求進(jìn)行控制。

5.1 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)流程

1號(hào)風(fēng)機(jī)與2號(hào)風(fēng)機(jī)通過同一控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，筆者以1號(hào)風(fēng)機(jī)為例介紹，其啟動(dòng)流程如圖5所示。啟動(dòng)后，打開通往井下的風(fēng)門，同時(shí)關(guān)閉地面進(jìn)風(fēng)門。初始程序中設(shè)定通往井下的風(fēng)門處于關(guān)閉狀態(tài)，地面風(fēng)門處于開啟狀態(tài)。旋式軸流主通風(fēng)機(jī)的葉輪由兩臺(tái)同等容量的電機(jī)來拖動(dòng)，兩臺(tái)電機(jī)需相反方向旋轉(zhuǎn)。為防止電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)給電網(wǎng)帶來太大的沖擊，設(shè)定在1號(hào)風(fēng)機(jī)電機(jī)1-1啟動(dòng)30 s后，再啟動(dòng)電機(jī)1-2。

圖4 煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程

圖5 1號(hào)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)流程

5.2 風(fēng)機(jī)反風(fēng)控制流程

對(duì)旋式軸流主通風(fēng)機(jī)可通過改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向來實(shí)現(xiàn)反風(fēng)，不需要另設(shè)反風(fēng)通道。反風(fēng)控制必須在電機(jī)完全停止的情況下才能進(jìn)行。反風(fēng)控制時(shí)，風(fēng)門的狀態(tài)保持不變。以1號(hào)風(fēng)機(jī)為例，當(dāng)收到反風(fēng)命令時(shí)，先按下1號(hào)風(fēng)機(jī)電機(jī)的停止按鈕。當(dāng)電機(jī)完全停止后，再按下1號(hào)風(fēng)機(jī)電機(jī)1-1的反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕，經(jīng)過30 s時(shí)間后，按下1號(hào)風(fēng)機(jī)電機(jī)1-2的正轉(zhuǎn)按鈕，進(jìn)行反風(fēng)。風(fēng)機(jī)反風(fēng)控制流程如圖6所示。

6 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

圖6 風(fēng)機(jī)反風(fēng)控制流程

基于PLC的煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)采用STEP7編程軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，按系統(tǒng)要求將用戶編寫的程序和程序所需要的數(shù)據(jù)放置在塊中，使單個(gè)程序部件標(biāo)準(zhǔn)化。通過塊與塊之間的調(diào)用，使用戶程序結(jié)構(gòu)化，可以簡化程序組織，使程序易于查錯(cuò)和修改。1號(hào)風(fēng)機(jī)電機(jī)1-1啟動(dòng)程序如圖7所示，1號(hào)風(fēng)機(jī)電機(jī)1-1接入變頻器程序如圖8所示，1號(hào)風(fēng)機(jī)軸溫度檢測程序如圖9所示，1號(hào)風(fēng)機(jī)繞組溫度檢測程序如圖10所示，1號(hào)風(fēng)機(jī)軸溫度超限報(bào)警程序如圖11所示，瓦斯報(bào)警程序如圖12所示。

圖7 1號(hào)風(fēng)機(jī)電機(jī)1-1啟動(dòng)程序

圖8 1號(hào)風(fēng)機(jī)電機(jī)1-1接入變頻器程序

圖9 1號(hào)風(fēng)機(jī)軸溫度檢測程序

圖10 1號(hào)風(fēng)機(jī)繞組溫度檢測程序

圖11 1號(hào)風(fēng)機(jī)軸溫度超限報(bào)警檢測程序

圖12 瓦斯報(bào)警程序

7 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)主扇風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中存在的問題，基于PLC設(shè)計(jì)了煤礦主扇監(jiān)控系統(tǒng)，并進(jìn)行了深入研究。

（1）下位機(jī)系統(tǒng)采用S7-200 PLC，硬件簡單、安全，軟件通俗易懂，便于學(xué)習(xí)，方便調(diào)試和維修。通過PLC和各種傳感器的結(jié)合，對(duì)通風(fēng)機(jī)的各種信號(hào)進(jìn)行采集，并傳送至上位機(jī)進(jìn)行顯示。避免了傳統(tǒng)繼電器機(jī)械接觸點(diǎn)多、控制方法固定等缺點(diǎn),極大地提高了系統(tǒng)的靈活性、可靠性。

（2）煤礦主扇的風(fēng)量調(diào)節(jié)主要采用目前先進(jìn)的變頻調(diào)速方案。采用矢量控制技術(shù)，配合礦井主通風(fēng)機(jī)的工作環(huán)境，只需對(duì)變頻器的頻率進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,即可達(dá)到快速調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。

（3）為了提高系統(tǒng)的安全性，對(duì)通風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

（4）在設(shè)計(jì)中,采用STEP7編程軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的編程。用戶通過PLC梯形圖編寫應(yīng)用程序，可以實(shí)現(xiàn)各種控制，滿足實(shí)際的需求。