基于PLC的煤礦主扇通風系統(tǒng)的研究與設計

郭鑫程

（西山煤電西銘礦機電科外維二隊， 山西 太原 030052）

引言

主扇風機是煤礦中最重要的大型固定設備之一，也是保障井下人員安全生產作業(yè)的重要設備[1]。它負責新鮮空氣運送和有害氣體的排出，改善井下作業(yè)環(huán)境，又被稱為“礦井之肺”。主扇風機在24 h全天運轉的狀態(tài)下其耗電量巨大，出口風量一般都通過人工增加擋板來實現(xiàn)，這種傳統(tǒng)方法不僅費時費力，而且會造成大量電能的浪費。同時主扇風機在運行當中需要監(jiān)測的參數(shù)除了風量還有溫度、振動、風壓等等，涉及到的設備眾多，監(jiān)控難度較大，智能化的風機工況監(jiān)測對于保證主扇風機安全穩(wěn)定運行和井下安全生產具有重要意義[2]。

目前，許多企業(yè)仍采用人工控制和監(jiān)測主扇風機的方式，不僅勞動強度大，可靠性低，也無法滿足現(xiàn)代煤礦安全生產自動化和信息化的要求[3]。本文設計了一種基于PLC和變頻器的煤礦主扇通風系統(tǒng)，利用PLC對主扇通風系統(tǒng)進行控制，大大提高了系統(tǒng)的智能程度和可靠性；采用變頻器來實現(xiàn)主扇風機的軟啟動，不僅可以實現(xiàn)風機的無級調速，還可以實現(xiàn)風機的智能運行，從而降低能耗節(jié)約電能，對于提高井下通風系統(tǒng)自動化、智能化水平具有重要意義[4]。

1 系統(tǒng)設計的總體方案

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有兩個：控制主扇風機和監(jiān)測風機在運行中各種工況參數(shù)。主扇電動機需要通過變頻器實現(xiàn)軟啟動和變頻運行，可對風機出口壓力和風量進行變頻調速，當變頻器發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠自動做出適應，將電機從變頻運行切換至工頻運行；通過PLC對變頻器進行控制，同時PLC與上位機配合實時監(jiān)測主扇風機壓力、風量、溫度、轉速等參數(shù)；系統(tǒng)還應具有故障診斷和預警功能，當設備發(fā)生故障時，系統(tǒng)通過各類傳感器發(fā)出的信號進行聲光報警，并進行切斷電源等相應措施。

系統(tǒng)主要分為三部分。第一部分為上位監(jiān)控層，主要由工控機和觸摸屏組成，用于各類參數(shù)監(jiān)測值的實時顯示和設備的遠程控制；第二部分為PLC控制層，該層為系統(tǒng)的核心部分，通過PLC可實現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)信號的采集、設備運行的控制以及與上位監(jiān)控層的通訊以及故障診斷處理；第三部分為現(xiàn)場設備層，主要由變頻器和各類傳感器組成，變頻器通過PLC的控制實現(xiàn)對電機的軟啟動和變頻運行，傳感器則上傳風機各項運行參數(shù)用于監(jiān)測[5]。系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

2 硬件方案的設計及選型

PLC控制器是本系統(tǒng)的核心部分之一，本文選用西門子S7-300可編程控制器，S7-300 PLC體積小巧，價格低廉，擴展性能強大，完全滿足本系統(tǒng)的控制需求。PLC的CPU選擇S7-226，該CPU采用24V DC輸入輸出，具有24路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出；電源模塊選用PS305，其輸出電流2 A，輸出電壓24 V DC；數(shù)字輸入模塊選用SM321，可用于各類開關量信號；數(shù)字量輸出模塊選用SM322，可將PLC內部信號轉換為外部信號輸出；模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊分別選用SM331和SM332，主要用于各類傳感器模擬信號的采集和模擬信號的輸出[6]。

變頻器也是本系統(tǒng)的核心部分，選擇變頻器最主要的就是要保證其額定電壓和電流要與風機相匹配，同時變頻器頻率不能過低，否則會引起電機溫度過高等問題，造成設備損壞。本礦井通風系統(tǒng)采用一主一備的方式設置了兩臺軸流風機，每臺風機均由兩臺電動機驅動[7]，每臺電動機均配有一臺變頻器進行控制，一臺風機由兩臺變頻器為一組同步運行控制，控制原理如圖2所示。

圖2 變頻器控制原理

本文選用施耐德ATV61HC31N4通用型低壓變頻器，額定工作電流555 A，額定電壓380 V，額定功率31 kW，可完全滿足本系統(tǒng)主扇風機的需求，并且可留出一定的余量。

主扇風機溫度監(jiān)測需要兩個設備配合完成，在電動機定子和軸承處安裝有PT100鉑熱電阻，其量程為-50～150℃。鉑熱電阻采集到的溫度模擬信號在傳送到PLC之前需要轉換成PLC可識別的電流信號，本系統(tǒng)選用EDA9018溫度采集模塊實現(xiàn)溫度電流信號的采集，可輸出標準的DC 4～20 mA電流信號。

本文選用Y400-402型壓力傳感器對主扇風機的風壓進行監(jiān)測，其測量范圍為0～60 MPa，輸出為標準的DC 4～20 mA電流信號[8]，并且抗干擾能力和穩(wěn)定性能都十分出色，可滿足本系統(tǒng)需求。

主扇風機的風量是本系統(tǒng)的重要監(jiān)測點，本文選用GFW15型礦用風速傳感器對風機出口風量進行監(jiān)測，其測量范圍為0.4～15 m/s，分辨率為0.1 m/s，測量的基本誤差不超過±0.3 m/s，輸出為標準的DC 4～20 mA電流信號，可完全滿足本系統(tǒng)需求。

電機在運行中會引起振動，如果振動量過高會引起電機受損甚至損壞，所以對電機振動量的監(jiān)測也是很有必要的。本文選用GBC80型礦用振動傳感器，工作電壓為10～24 V，工作電流≤30 mA，測量范圍為 0～80 m/s2，測量誤差為±1.6 m/s2，輸出為標準的DC 4～20 mA電流信號。

3 軟件方案的設計

當PLC接收到啟動信號后，首先將系統(tǒng)進行初始化，然后進入啟動主扇風機的流程，PLC會選擇需要開啟的風機，在風機開啟前，還需要判斷相應風門的開閉狀態(tài)；系統(tǒng)默認1號風機為主用風機，當1號風機出現(xiàn)故障時，2號風機開啟備用；然后系統(tǒng)會跟據(jù)用風量判斷是否開啟雙電機運行，如果用風量小，只需開啟一臺變頻器控制一臺電動機驅動風機；變頻器啟動時，PLC會通過RS485進行通信，給定變頻器的啟動頻率，當變頻器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動切換至工頻運行；現(xiàn)在變頻器正常運行于變頻狀態(tài)，傳感器將采集到的風機運行參數(shù)上傳至PLC中，PLC再與上位機進行監(jiān)控數(shù)據(jù)交換，風機的風壓、風量、振動和溫度等參數(shù)的監(jiān)測就在此步驟中完成，如果有參數(shù)超出閾值，系統(tǒng)會發(fā)出報警并進行停機等相應操作；在正常運行中，若1號風機發(fā)生故障，則系統(tǒng)發(fā)出報警信號并開啟2號備用風機，2號風機啟動流程與1號風機相同。系統(tǒng)主流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制主流程圖

在系統(tǒng)正常運行過程中，如果發(fā)生火災等事故時，系統(tǒng)會立即執(zhí)行報警程序，發(fā)出聲光報警并立刻停止當前運行中的風機，并執(zhí)行反風子程序。當系統(tǒng)處于反風運行模式時，也需要選擇是單電機驅動運行還是雙電機驅動運行，一般在發(fā)生火災等重大事故時，系統(tǒng)會直接投入兩臺變頻器驅動兩臺電機運行，并給定反風頻率，當事故結束后，系統(tǒng)重新恢復執(zhí)行正常的運行程序。反風子程序流程如下頁圖4所示。

圖4 反風子程流程圖

4 結語

本文設計的基于PLC的煤礦主扇通風系統(tǒng)在實際測試中可對主扇風機的風量、壓力、溫度等參數(shù)進行實時監(jiān)測，測量參數(shù)準確，實時性高，主扇風機通過變頻器實現(xiàn)了軟啟動變頻運行，平滑調速，大大降低了能耗，系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性、自動化程度都得到了提升，具有良好的經濟效益和應用前景。