PLC 通風機遠程監控系統設計與應用

辛莉蓉

（晉能控股煤業集團永定莊煤業公司，山西 大同 037000）

煤礦通風系統采用2 臺通風機，一用一備，2臺設備都是采用單獨的供電線路，系統的分散設備較多，采用就地控制方式，設備間隔較遠，在突發情況下啟動備用主通風機，在就地控制點之間來回切換造成操作速度慢，使風機啟動時間延長，加上監控系統過于簡單，通風機運行時的部分關鍵參數都是通過人工分析和處理，這樣就大大降低了系統的準確性和時效性，存在一定的安全隱患[1-2]。因此，設計一種基于PLC 的通風機遠程監控系統，通過PLC 對通風機的運行狀態及參數進行監控，在出現故障時及時報警，保證通風系統的穩定性和可靠性。

1 系統整體組成

由于監控系統的傳感器數量較多，如果不能及時更新會使信號滯后，導致操作人員對信息做出錯誤判斷。因此，在進行系統設計時，要優先考慮系統的集成度，同時考慮控制權限的優先級，實現分散集中控制[3-4]。基于PLC 的自動監控系統包含遠程管理監控層、設備控制層和現場設備層3 層，監控系統整體結構如圖1。遠程管理監控層主要是進行遠程控制，上位機通過WinCC 實現遠程管理、監視和報警；設備控制層主要采用PLC，通過輸入/輸出模塊實現對現場設備的控制；現場設備層主要是進行數據采集，通過各類傳感器實現對各類信號的采集和處理。

圖1 監控系統整體結構圖

2 監控系統硬件設計

遠程監控系統的主控電路包含3 臺電機，其中試驗風門電機1 臺，液壓泵站電機2 臺。風門電機的正反轉是通過接觸線圈KM1 和KM2 來控制的，液壓泵站電機正反轉是通過接觸線圈KM3 和KM4來控制的，液壓站加熱是通過接觸線圈KM5 來控制的。系統運行時，R3 電阻的功率可達5 kW。主控電路設計如圖2。

圖2 通風機監控系統主控電路設計

在主控制器的選型上，首先要確定傳感器的數量以及巡檢的路數，設計冗余，便于后續對監控系統進行拓展。此次選擇S7-300 型PLC 控制器[5]，系統的硬件主要包括電源模塊、CPU 模塊、接口模塊、輸入輸出模塊、功能模塊等。其中，外界動力系統的電壓經電源模塊轉換成24 V 的直流電給CPU 和負載電路提供電源，CPU 采用SM313-2DP型，不含內置裝載存儲器，自帶PROFIBUS-DP 通信接口，通過協議和其他的節點進行通訊。輸入輸出模塊是聯系CPU 和現場設備的橋梁，使不同級別的過程信號和PLC 內部信號之間的電平相匹配。由于通風系統的外圍設備比較多，需要實時監控多個點的參數，因此，使用3 組8 路模擬量輸入模塊、3 組32 路數字輸入模塊和1 組32 路數字輸出模塊。

遠程監控系統中使用的傳感器類型較多，為了確保傳感器的安全性，傳感器都帶有隔爆功能，壓力傳感器使用APG-LC100 型，溫度傳感器使用GWP100（D）型，振動傳感器使用GB20 型，風量傳感器使用KGF2 型[6-7]。各類傳感器將檢測到的信息實時傳輸到控制器中進行分析和處理，以判斷當前通風機的狀態是否在安全閾值內。

3 監控系統軟件設計

3.1 下位機PLC 程序設計

對通風機監控系統的軟件進行設計，系統啟動后，首先進行參數初始化，上位機收集下位機采集到的數據，包括電力參數、故障處理參數、風機啟停參數[8]。判斷油位是否滿足要求，如果不滿足，立即啟動油泵進行供油。油位滿足要求后，再判斷風門是否滿足要求，如果不滿足，立即下達指令開啟風門；如果滿足，啟動風機正常工作，同時判斷通風機是否存在故障，如果有故障及時進行處理。通風機監控系統的主程序流程圖如圖3。

圖3 通風機監控系統主流程圖

當主通風機出現故障時，要在第一時間內啟動備用通風機，因此，備用通風機的啟停控制程序就非常重要，控制程序流程圖如圖4。在判斷主通風機停止工作后，開啟備用通風機，對油站壓力、油站液位、定子繞組溫度、電機軸承溫度等參數是否正常進行判斷。在各個參數都正常后啟動備用通風機。

圖4 備用通風機監控系統啟停控制流程圖

主通風機和備用通風機在運行過程中，都要實時監測和采集狀態數據。在遠程監控系統中設置各類采集數據的安全范圍，當監測到數據大于安全范圍后，系統會自動判斷通風機出現安全隱患和故障，并將故障問題顯示在上位機上，發出警報。

3.2 上位機軟件設計

要實現對通風機的遠程監控，需要將PLC 與上位機進行通信。上位機使用WinCC 組態軟件[9]，通過圖形編輯器將采集的信息進行直觀顯示。系統接入上位機監控軟件后，與上位工控機通信，使系統具有自動控制功能，實現通風機的無人值守。上位機監控界面如圖5。

圖5 上位機監控界面

4 效果分析

將設計的通風機監控系統在永定莊煤業公司進行實際應用，在通風機運行期間，共出現報警21 次，包括振動報警7 次，溫度報警6 次，其他故障報警8 次。遠程監控系統在運行過程中，能實現系統的自動切換，根據工作面實際通風情況，通過調整電機的轉速調節系統通風量的大小，為企業節省能源消耗費用，保證通風系統的正常運行。在使用遠程監控系統前，為了確保通風機運行的安全可靠性，需要專人值班看守通風機，在使用遠程監控系統后，不需要專人看守通風機，只需巡邏人員對通風機進行巡邏即可，降低了人員數量。

5 結論

（1）所設計的通風機遠程監控系統在總體上包含3 層，不同的層級有不同的作用，相互配合實現遠程監控的各項功能。使用S7-300 型PLC 作為主控制器，通過各類隔爆型傳感器對系統運行的狀態參數進行實時監測，完成控制工作。

（2）遠程監控系統在工作過程中，可以實現對通風機啟停的精準控制，保障通風機系統運行的可靠性，對設備運行過程中安全隱患和故障進行判斷，發現故障時及時顯示在上位機上，并發出警報。

（3）將通風機遠程監控系統進行實際應用，取得了較好的效果。在通風機運行期間，共出現報警21 次，包括振動報警7 次，溫度報警6 次，其他故障報警8 次。遠程監控系統大大提升了通風系統的可靠性，保障了礦井的安全，為企業節省了能源和人力成本，產生了一定的經濟效益。