基于PLC 的安全通風監測系統的設計及應用

弋晨晨

（晉能控股煤業集團晉華宮礦技術科， 山西 大同 037016）

引言

礦井通風系統對井下安全開采有重要影響，目前，礦井主通風機主要采用模擬儀表對數據進行監測，需要工作人員定時去現場抄寫表上數據，而且通風系統不能實時監測主通風機的通風量等關鍵參數，監測內容不全，監測結果不精確[1-2]。因此，要建立一套完整的自動控制通風監測系統，選用FBCDZ No.28/2200 系列的通風機，通過設計監測系統，實現對通風機性能、參數以及運行狀態的在線監測。

1 通風監測系統設計的總體要求

設計通風監測系統時，要滿足以下要求：能實時監測主通風機電機、變頻器等運行參數，通過上位機監控畫面，實時監測通風設備的運行狀態，具有數據查詢、報警和記錄等功能；能控制主通風機高低壓開關柜的開閉，對通風機的電機繞組溫度進行監測，同時，系統具有遠程監控功能；能控制通風機的啟停；能同時實現手動、自動、遠程控制。

2 通風監測系統的總體設計

通風監測系統主要包括主站上位機模塊、PLC下位機模塊、傳感器模塊、電量監測模塊以及風速監測模塊等，其總體架構如圖1 所示。

圖1 通風監控系統架構

主站上位機模塊包括UPS、打印機和計算機，主要是對監控的通風機運行參數、風門狀態、風機啟停等進行顯示，便于進行數據處理和查詢。

PLC 下位機模塊包括電源、CPU、輸入輸出單元、通信單元等，主要采用西門子S7-300 可編程控制器，該控制器具有較強的抗干擾能力，能在各種復雜的工況下工作，系統配置合理，操作維護方便，能滿足現場的使用要求。

現場傳感器模塊主要包括壓力、溫度、轉速等傳感器，將現場采集到的數據轉換成標準的電信號，然后傳輸給CPU。為了減少傳輸過程中的誤差，提高監測精度和系統的穩定性，使用有變送器、標準電流信號 4～20 mA、電壓信號 0～5 V 的傳感器，現場使用二線制RVVP 電纜進行單獨傳輸信號。

電量監測模塊應用電磁隔離和光電隔離技術，采用EDA9033 型電量監測模塊，實現對電壓和電流輸入輸出的完全隔離，使用TCP/IP 協議連接電量監測模塊和PLC 模塊，采集三相電流和三相電壓、功率等數據[3]。

風速監測模塊是通過測量風道上下側的壓差來進行監測，氣流通過局部變截面時會產生風量損失壓差，風量信號的大小與氣流的紊亂和局部變化有關，采用高精度的測速儀表來測量不同工況下的風量大小，通過監測局部變化產生的靜壓差來確定風量與差壓的關系，從而實現對風速的在線監測。

3 通風監測系統的軟、硬件設計

3.1 硬件設計

通風監測系統中的硬件主要使用的是PLC 模塊，由于PLC 具有多輸入多輸出、體積小、能耗低、靈敏度高等優點，能滿足井下復雜的工作環境。西門子系列的PLC 基本組成如下頁圖2 所示。

通風監測系統中各類現場傳感器模塊是將各自采集到的信號轉換成4～20 mA 的直流電流信號和0～5 V 的直流電壓信號；溫度測量模塊用來采集工作中主通風機的溫度信號；電量測量模塊用來采集開關柜的功率信號，通過RS485 接口與計算機通訊；PLC 可編程控制器包括開關量和模擬量輸入輸出模塊，其中，模擬量輸入輸出模塊用來采集主通風機的壓力、振動、頻率信號，開關量輸入輸出模塊用來采集輔助開關信號，現場總線采用工業以太網通訊模塊來連接。在計算機接收到控制指令后，通過PLC 開關量輸出模塊，將信號輸出給中間繼電器，通過繼電器將信號輸入到電機和控制回路中，驅動各個控制對象來運動，同時，通過PLC 模擬量輸出模塊，給定變頻器頻率，通過在線調節主通風機的轉速，從而實現能耗的降低[4]。

圖2 系統硬件構成及系統組成

3.2 軟件設計

通風監測系統的軟件部分采用結構化編程的方法來編寫，為了實現通風監測系統的自動控制和監測，將整個系統軟件部分分成若干個子系統，總系統按照控制順序調用各個子系統，系統的軟件流程圖如圖3 所示，設置有手動和自動兩種控制模式，在手動模式下，通過手動控制程序來實現主通風機的正常運行，在自動模式下，判斷1 號主通風機是否啟動，如果啟動，通過控制風門，選擇控制模式，給定變頻器頻率驅動主通風機運行，同時監測風機的參數，將監測數據與給定數據比較，在出現故障時，要先將故障排除，從而實現主通風機的正常運行。

通風監測系統的子程序主要包括主通風機控制子程序、PID 調節子程序、供電系統控制子程序、模擬量采集子程序等，以風量調節為例，對風量的PID 調節子程序如圖4 所示，在對風量進行調節時，首先給主通風機設定風量初始值，然后讀取控制器反饋的風量值，將反饋值與初始值進行求差，得到偏差值，在PID 控制器的作用下，計算出工作所需的風量。

圖3 軟件流程圖

圖4 風量PID 調節流程圖

4 應用效果

將通風監測系統應用在井下開采過程中，根據設計的通風監測系統，真實地反映了井下通風機的工作狀況，采集和監測的數據比較準確，系統運行可靠性較高，為井下工作人員提供了準確的數據，在出現故障時，及時采取措施進行補救，系統的自動化程度大大提高，井下通風安全性能得到改善，同時，監測得到的數據通過工業以太網傳輸，實現數據共享，提升系統的數字化和自動化水平。

5 結論

1）對監測系統進行總體設計，從軟硬件設計兩方面進行分析，通過比較測量值與給定值，及時調節控制參數，實現通風機的正常運行。

2）將通風監測系統應用在井下開采工作中，結果表明，通風監測系統能真實地反應井下通風機的工作狀況，采集和監測的數據比較準確，系統運行可靠性較高，系統的自動化水平明顯提高。