礦井局扇風(fēng)機(jī)自動(dòng)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

時(shí)三波

（山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048000）

引言

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部局扇風(fēng)機(jī)的功能在于減小井下作業(yè)面的溫度，為井下提供充足的新鮮空氣、清除甲醛、清除灰塵等，是確保礦井持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的核心設(shè)備。在局部通風(fēng)機(jī)內(nèi)部應(yīng)用智控技術(shù)，可以使通風(fēng)系統(tǒng)的效率得到極大提升，保證礦井順利運(yùn)行，減少設(shè)備維護(hù)所需的成本及能源的消耗量，以取得較高的調(diào)速精度。

1 局風(fēng)扇系統(tǒng)的構(gòu)建

局扇風(fēng)機(jī)體系內(nèi)部安裝了兩臺(tái)功能一致的軸流風(fēng)機(jī)，每一臺(tái)局扇風(fēng)機(jī)所運(yùn)用的驅(qū)動(dòng)設(shè)備都是8 極變頻電機(jī)，電機(jī)的容量及電壓分別為450 kW 和10 kV。這個(gè)局扇風(fēng)機(jī)還配置了檢測(cè)電機(jī)溫度的部件Pt100，對(duì)軸承溫度進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)備，電機(jī)除濕加熱器，阻尼器等。在手動(dòng)及自動(dòng)的頻率之間，該系統(tǒng)可以完成變頻器輸出；同時(shí)，系統(tǒng)可以對(duì)局扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1）溫度：定子、軸前后軸及風(fēng)扇的溫度。

2）電氣參數(shù)：電流、有功及無(wú)功功率、功率因數(shù)等。

3）風(fēng)扇振動(dòng)參數(shù)：垂直、水平的振動(dòng)參數(shù)。

4）風(fēng)扇狀態(tài)：油門所處的位置、電機(jī)的各個(gè)參數(shù)。

5）局扇風(fēng)機(jī)參數(shù)：靜壓、總壓力、空氣的流量等。

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

該監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成主要包含兩部分，其功能分別對(duì)風(fēng)量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)、對(duì)風(fēng)扇運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在系統(tǒng)硬件的控制系統(tǒng)中采用了S7-300 系列的PLC，另一部分的構(gòu)成包含了變頻器、觸摸屏等多個(gè)設(shè)備，通過(guò)應(yīng)用通訊接口與局扇風(fēng)機(jī)檢測(cè)測(cè)試設(shè)備、變頻裝置、智能電源形成有效的連接，對(duì)阻尼器及風(fēng)扇的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行連接與監(jiān)測(cè)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C 監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度中心中，同時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)氣體、壓力、溫度等各個(gè)參數(shù)，系統(tǒng)可以開(kāi)展遠(yuǎn)程的診斷級(jí)編程。采取控制器來(lái)輸出相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，變頻器可以基于反饋數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整風(fēng)量，確保要求范圍之內(nèi)的空氣質(zhì)量，增強(qiáng)局扇風(fēng)機(jī)的效率，從而極大降低成本[1-2]。在局扇風(fēng)機(jī)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中PLC 是其核心，其結(jié)構(gòu)圖詳見(jiàn)圖1。

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

本系統(tǒng)所采取的SIEMENS S7 300 系列PLC，詳見(jiàn)圖2，其中硬件設(shè)施主要有電源、SM322（2 個(gè)）、CPU314、SM321（3 個(gè)）和SM331 模擬量輸入（4 個(gè)）等板塊，各個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

圖2 S7-300 的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1）風(fēng)壓的監(jiān)測(cè)。為了使局扇風(fēng)機(jī)維持穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)對(duì)風(fēng)扇的運(yùn)行速度、流量等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)采取相關(guān)的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)其中的壓力。傳感器可以將壓力或流量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流量，并將其傳輸?shù)絊M331 中，將電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并傳輸?shù)紺PU中。

2）溫度的監(jiān)測(cè)。在對(duì)電機(jī)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)候，電機(jī)及風(fēng)扇軸的溫度是其最關(guān)鍵的參數(shù)。在風(fēng)機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)存在較高的溫度時(shí)，局扇風(fēng)機(jī)將無(wú)法正常運(yùn)行。溫度傳感器的功能在于對(duì)前后軸承、定子等部件的溫度進(jìn)行收集。由于鉑熱所具有較高的量程及檢測(cè)的精準(zhǔn)度，該系統(tǒng)采取PT100 鉑熱電阻傳感器來(lái)對(duì)系統(tǒng)的溫度進(jìn)行收集。

3）對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)風(fēng)扇軸承在垂直及水平方向上的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)運(yùn)用振動(dòng)位移傳感器及變送器進(jìn)行組合，在軸層前后兩側(cè)分別配置了電機(jī)振動(dòng)傳感器，電機(jī)軸承發(fā)生振動(dòng)所形成的強(qiáng)度主要為線性，通過(guò)SM331 來(lái)轉(zhuǎn)換成為電流量，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，利用SM331 將其傳輸給CPU。

4）對(duì)電氣的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。該參數(shù)是對(duì)局扇風(fēng)機(jī)及監(jiān)測(cè)設(shè)備的性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)，可以對(duì)風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)及故障信息進(jìn)行充分把握，推動(dòng)設(shè)備運(yùn)行。該參數(shù)主要包含了三相電流及電壓、有功及無(wú)功的功率等。系統(tǒng)主要運(yùn)用相關(guān)的變送器來(lái)對(duì)電力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，運(yùn)用RS485 總線來(lái)對(duì)功率進(jìn)行傳輸。

5）對(duì)氣體的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。氣體所包含的成分主要為CH4。對(duì)風(fēng)扇的出風(fēng)部位或礦井底部的氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了對(duì)濃度進(jìn)行有效地控制，對(duì)于出風(fēng)部位及底部的CH4濃度可以運(yùn)用瓦斯傳感器來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳感器具備聲光報(bào)警及顯示的功能，同時(shí)具有各路信號(hào)輸出及報(bào)警展示的功能，可以與信號(hào)的收集及監(jiān)測(cè)相吻合的礦井系統(tǒng)連接。

3.2 變頻設(shè)備的設(shè)計(jì)

變頻系統(tǒng)所采取的模式為運(yùn)用一個(gè)變頻器來(lái)對(duì)2 臺(tái)局扇風(fēng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制[3]。系統(tǒng)可以對(duì)風(fēng)扇運(yùn)行的速度進(jìn)行控制，改良運(yùn)行的狀況，利用逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。該系統(tǒng)所采用的變頻器為MM430，其內(nèi)部設(shè)置有PID 控制器，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性及靈敏度，該逆變器具有較好的性能，其中包含各個(gè)保護(hù)功能，輸出功率的范圍也處于7.52 kW 左右，其中包含了一個(gè)485 通訊接口，變頻設(shè)備內(nèi)部還設(shè)置了一個(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)所設(shè)計(jì)的軟件主要包含兩個(gè)部分，分別為上位機(jī)和總控中心兩部分，這兩個(gè)部分可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效地控制。

4.1 總控中心的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)所運(yùn)用的編程為STEP-7。PLC 程序內(nèi)部主要包含了主程序、控制程序兩種。其中主程序主要包含了故障監(jiān)測(cè)及報(bào)警、頻率控制程序、電機(jī)開(kāi)啟、初始化程序等多項(xiàng)功能。初始化程序主要包含了各個(gè)預(yù)先設(shè)置參數(shù)的初始值、對(duì)硬件及電源進(jìn)行檢測(cè)，在明確流程之后，開(kāi)啟控制系統(tǒng)，模擬采集板塊可以對(duì)氣體的含量、溫度、振動(dòng)的信息等進(jìn)行收集。

4.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采取西門WinCC 組態(tài)來(lái)作為PC 監(jiān)控軟件。該組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)局扇風(fēng)機(jī)與操作人員的交流互動(dòng)。這個(gè)該系統(tǒng)的控制關(guān)鍵主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理。監(jiān)視器的屏幕中可以對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)、報(bào)警信息及故障問(wèn)題進(jìn)行有效顯示。

5 結(jié)論

礦用變頻器局扇風(fēng)機(jī)所采取的智能化系統(tǒng)不僅可以有效監(jiān)測(cè)風(fēng)扇的狀態(tài)，而且可以持續(xù)識(shí)別與監(jiān)測(cè)風(fēng)扇的故障。該系統(tǒng)具有較好的交互性，可以在同一個(gè)平臺(tái)上來(lái)查詢、展現(xiàn)及控制系統(tǒng)，確保局扇風(fēng)機(jī)持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。