基于PLC 的通風監測系統的優化設計

劉湘杰

（山西煤炭運銷集團三聚盛煤業有限公司， 山西 太原 030303）

引言

井下通風系統作為煤炭生產的主要系統之一，它的安全性與可靠性十分重要[1-2]。礦井通風系統主要是由動力系統、通風網絡、通風控制設施等部分向井下各作業面輸送新鮮空氣，是保障井下生產作業人員安全的不可或缺的系統[3-4]。作為井下運行的重要設備，井下風機往往處于全天24 h 不間斷運行狀態，而傳統監測管理方式極不完善，主要表現在自動化程度低、管理難度大、通風監測效率低、信息資源浪費嚴重等[5-6]，這在一定程度上阻礙了煤礦現代化建設的發展與經濟效益水平的提升，很容易造成電能的浪費與安全隱患[7-8]。因此本文針對三聚盛煤業有限公司設計了一套安全、可靠、自動化高的通風監測系統，該系統能夠準確快速獲取井下通風量、風速等基礎信息，并將采集數據對通風量進行優化調節，對煤礦的安全生產提供了可靠的理論支持。

1 三聚盛煤業有限公司煤礦通風現狀

該煤礦公司礦井采取的主要通風方式是中央并列式，其中主斜井、副斜井、行人斜井三個井筒進風，回風斜井回風。礦井通風方法是采用機械抽出式通風，回風井安設兩臺FBCDZ-10-No25B 防爆對旋式軸流通風機，一臺工作，一臺備用。每臺通風機由兩臺YBF 型10 極380 kV 160 kW 電動機驅動。通過改變通風機葉片角度，滿足礦井各種通風網路情況下通風的需要?；夭晒ぷ髅娌捎肬 型通風布置。掘進工作面采用獨立局部通風機通風，工作面配備兩臺FBDNo6.7/2×30 局部通風機進行供風，一臺工作，一臺備用。井底水倉、主水泵房、主變電所、消防材料庫、等候硐室等均布置在主要進風風流中，利用主通風機全負壓通風。

2 主要運行參數的監測

井下通風系統的運行狀態取決于主扇風機的運行情況，所以通過對風機運行溫度、風機風速與風量、風機振動情況等參數進行實時監測，便可以獲取到通風狀態的基礎監測數據。

2.1 溫度的監測

井下通風風機的軸溫升高大多是因風機磨損等內部故障所造成的，這是因為電機軸兩端帶動風機葉片隨電機長時間運轉，電機的軸溫便會不斷升高，如果電機的軸溫超過電機軸所能承受的溫度時，電機便會被燒毀。從一定程度上說若風機溫度達到一定程度時，則說明風機內部的零部件已經在很大程度上處于磨損狀態，在這種情況下便會嚴重影響井下的安全生產工作，所以說風機軸承溫度是一個很重要的監測參數。通過優化設計，實時監測電機軸的溫度變化，使得當電機軸的溫度超過設定閾值范圍，便停止電機的運行，同時給予故障預警，防止電機被燒毀。

2.2 風速、風量的監測

對風速的監測主要是通過對風量的實時監測而進行測算，而用來監測井下空流動速度的傳感器稱為風速傳感器，根據傳感器對主風機的風速測量，利用公式（1）可以求得風量，其公式如下：

式中：Q為通過風機的風量，m3/s；S為擴散器內芯筒的橫截面積，m2；V為風速，m/s。

通過準確測量井下的通風風速，便可以進行風速和風量的調整，從而保證井下可靠安全的生產作業環境，防止事故的發生。

2.3 風機振動的監測

振動是日常生活和工程生產中最常見的物理現象，而在大多數情況下，振動會使得儀器設備發熱磨損，長久以往精密儀器的精度、可靠性以及壽命降低。對于旋轉的風機轉軸的振動監測，常用的方式為測軸振動和測軸承振動，其中，測定軸承振動主要用于對中低速的旋轉體的測量，測定軸的振動主要用于高速旋轉的轉體。結合井下實際情況與本系統的設計需要，本系統采用對風機前后級的風機軸承振動進行監測。

3 系統硬件的設計

3.1 硬件總體的設計

根據通風系統的需求，通過優化設計將其通風系統設計為上位機監測管理層、網絡通信層和現場監測層三層結構，通過現場監測層安置的各類傳感器監測風機與通風量信息，將這些信息實時傳輸給井下PLC 主控制器進行數據處理，主控制器通過所設定的邏輯進行運算并得出通風的最佳方案，并將其利用網絡通信層上傳至地面上位機監測管理層，從而方便地面工作人員對井下通風情況進行實時掌握與監測。

根據優化設計需求，現場監測層主要包括PLC控制器、現場實時信號采集單元、監測對象，而監測對象為巷道通風量、風機運行狀態、PLC 控制器運行狀態等。PLC 控制器為整個井下現場層的核心單位，負責數據處理與邏輯運算，并可以與上位機實時信息交流傳輸。網絡通信層負責連接本系統中上位機監測層與現場監測層，考慮到井下潮濕、封閉等復雜工作環境，為減小共模干擾，增強通信的可靠性提高傳輸效率，本系統采用RS485 進行差分傳輸。綜上，通過對通風系統的優化設計，本文設計的風機通風監測系統硬件總體結構如圖1 所示。

圖1 系統硬件總體結構圖

3.2 現場主控PLC 的選型

井下現場影響信號的因素比較多，故對系統自身的信號也會產生一定程度的干擾，為了實現穩定的工控需求，選用的PLC 要具有便于維護、高可靠性、運行穩定等特點作為下位機。S7-200 系列作為由西門子公司生產的小型PLC 單位，其成本低、指令功能強大、可靠性較高、功能完善等優點，被廣泛應用在工控生產中。

西門子S7-200 系列的PLC 有多類型的CPU 單位，可以滿足各種應用需求。考慮系統功能的需求，在確定I/O 點數后，仍保留15%～20%的備用裕量，以備后續進一步地優化使用，所以本系統共采用14點數字量輸入、10 點的數字量輸出、14 點的模擬量輸入與5 點的模擬量輸出來滿足系統功能需求。

4 系統程序的設計

本系統采用西門子S7-200 系列的專用編譯器進行編程處理，將監測軟件程序分為多個子程序模塊，模塊化的調用方便編譯與后續功能的擴展。本系統編譯的主流程如圖2 所示，主程序首先對各個單元進行初始化設置并等待信息采集信號的開始，當風機在運行狀態下，不斷監測井下通風系統運行狀態，并將采集的數據傳給PLC 主控器。根據采集信號PLC 對通風量進行邏輯與運算，給予通風量的最優化，同時將其最優控制信號輸出至控制方式調節子程序中。在風機運行監測子程序中通過對井下通風與風機運行狀態的監測，判別控制方式是否合理，通風量是否最優，風機是否存有故障。預警子系統，根據運行監測子系統中實時監測的結果，通過進行PLC 主控器進行運算，得出一個預警初值提供報警信號，一方面通知井下操作人員，另一方面上傳至地面監測人員，從而使系統能快速恢復正常。

圖2 主程序流程圖

5 結論

通過利用西門子S7-200 系列PLC 作為井下通風系統的主控制邏輯處理單元，并對風機的運行溫度、振動情況、風機風速與風量等實時監測，將二者作為井下現場層的邏輯層。通過井下現場層的實時監測，利用網絡通信層將井下數據信息傳輸給地面監測中心，方便地面的操作，完成整個通風系統的監測。該系統利用三層結構的模式，并利用PLC 作為主控邏輯器優化井下通風狀態，從而實現通風過程全監測，極大地提高通風安全性與可靠性，具有很大的推廣價值。