基于PLC 的礦井通風機在線監控技術應用研究

張 良

（晉能控股集團寺河煤礦二號井，山西 晉城 048205）

引言

隨著科技的發展，智能控制技術的應用場景變得越來越廣泛，為人們的生產生活提供了較大的便利。煤礦的安全運行受到多種因素的制約，礦山起重設備的工作狀況對礦山的生產有著重要的作用，煤礦通風系統的安全運轉是煤礦安全生產的先決條件。在煤炭領域，礦井通風機屬于關鍵設備，必須保持良好的運行狀態，必須得到足夠的重視。傳統的PLC 技術設備普遍缺乏實時監控模塊，一旦發生故障可能會產生較大的問題，使用先進的PLC 技術和礦井同步通風技術，是現階段提高生產質量的有效方法。因此，必須建設煤礦通風管道的安全、穩定的監測體系[1]。

1 礦井通風方式

礦山的通風模式通常根據其使用區域來決定。在礦山工作時間較短（10～20 年）時，其業務覆蓋全礦井；當礦山規模大，使用壽命更久（30～50 年）時，僅將15～25 年的采礦規模視為其業務區域；此時，通常提供的服務范圍為第一水平，或者包括第一、第二水平。在服務范圍以外的后期通風系統，僅在設計中做簡單的考慮[2]。圖1 為礦井通風機示意圖。

圖1 礦井通風機示意圖

2 PLC 選型

2.1 PLC 選型原則

1）在計算I/O 時，應當預留足夠的剩余。將輸入和出口的數值提高10%～20%，并將此區間用作可擴充的范圍，在進行PLC 定制時，必須依據生產廠家PLC 的特性來決定其輸入量。

2）存儲器容量指的是可編程邏輯控制器PLC 的核心硬件存儲單元尺寸，程序容量是儲存使用者程式所使用的存儲器的尺寸，通用程式的容量比存儲器容量要低。圖2 為S7-300PLC 的I/O 模塊。

圖2 S7-300PLC 的I/O 模塊

3）控制功能的選取包括運算功能、控制功能和通信功能。根據上述原理，該設計使用的是西門子S7-300，它屬于模塊化的中小型PLC，能夠滿足中等性能的控制需求。西門子S7-300 具有許多的特點，可以為用戶提供編程，啟動和維護等方面的功能，包括：指令完成速度快，S7-300 指令處理時間大約為0.1～0.6 us，高速的指令處理能夠滿足中等到較低的性能要求，并在這個范圍內開辟了新的應用；人機界面友好，S7-300 的系統具有接口功能，便于使用，對程序的需求大為降低，通常使用的是一種簡明的階梯圖形；診斷功能，S7-300 能夠對各設備的運行狀況進行監測，并對故障進行實時的故障和異常情況進行實時地錄入，方便故障的處理；口令保護功能，S7-300 的多級口令保護，能夠保證產品技術機密的安全，同時也能阻止未經允許復制以及更改程序。圖3 為S7-300 系列PLC系統構成框圖。

圖3 S7-300 系列PLC 系統構成框圖

2.2 影響PLC 控制系統穩定的干擾因素

影響PLC 的干擾因素有三種：一是各類干擾源，二是多種傳輸路徑，三是不同的接收端[3]。

2.2.1 電源引入的干擾

電源作為電子設備的“糧食”，對電子線路起著重要的作用，它的工作特性決定了其對電子設備的抗噪聲、穩定等方面的作用。PLC 的電力供應通常是通過電力網絡來實現的。雷電沖擊、開關操作、大型電力設備啟停、換流設備造成的諧波、電網的短路瞬時沖擊等，造成的電力系統震蕩，這種電網波動將會經由傳輸網絡傳輸至PLC，造成電力供應中斷，該干擾還會對PLC 子系統、擴展機箱、I/O 模板產生一定的影響，嚴重時會對控制中心產生干擾，導致PLC 的運行出現問題。

2.2.2 I/O 信號線引入的干擾

通過PLC 控制系統的集中控制，收集各類設備信號。在進行信號傳輸時，PLC 與不同類型的信號線路會被多種外界的干擾所影響。

由于這些信號線路所造成的干擾通常會造成I/O的不正常，從而使其不能傳輸出任何有用的信息，嚴重時將會使器件發生損傷和故障，從而導致PLC 的運行受到極大的限制。

2.2.3 接地線引入的干擾

PLC 系統地線通常由系統地線（信號地線，模擬地線，數字地線），屏蔽地線，保護地線，交流地線等組成。地線本身具有一定的阻抗，因此，在經過地線的過程中，會出現共模電壓，這就是所謂的共模干擾。此外，還有地線上電位分布不均的問題，這是由于對地線及其他地線的處理不善，導致了故障，甚至會對整個電網的工作產生不利的影響[4]。

2.2.4 PLC 系統的抗干擾措施

針對PLC 的抗干擾性，采用相應的控制策略，盡量減少干擾，保證其穩定工作。在減少系統被擾亂的情況時，可以從三個角度來分析，分別是降低干擾噪聲的強度，盡量降低噪聲干擾到電路的耦合因素，提升電路的抗于擾能力。

2.2.5 電源系統的抗干擾措施

針對電源系統中存在的異常和失真所造成的電力干擾，為增加電源系統的穩定性，必須使用專門的電源系統。此外，在A/C 供電和PLC 之間，將雙屏蔽的隔離變壓器及低通濾波器加接，可對電力網絡中的電壓和失真、電源系統的影響進行控制。采用絕緣化的方法，將電源系統的干擾與信號的接地相分離，降低了電力系統對PLC 的沖擊；利用低通濾波器對高頻信號進行濾波，減小了系統的輸出端的電壓起伏，從而改善了系統的供電可靠性。

2.2.6 合理布線

在PLC 設備的實際應用中，必須遵循一定的原則。在布線時，把控制線、電源線和信號線分隔開，使它們相互有一定的間隔，這種間隔通常在30 cm 或更大時為宜。在開關和模擬輸出的信號之間的間隔較長時，一般采用屏蔽線或雙絞線；在特定的高頻段中，一般采用光纜。為了使其具有切換的通斷性，必須將其屏蔽層與點上的平衡導線并聯，同時使屏蔽層的兩個末端與接地連接；在對模擬量進行傳送時，采用屏蔽層的方法防止干擾外部的高頻干擾。此外，為了降低外部高頻率的影響，通常需要選擇各種不同的插頭接頭。

2.2.7 接地干擾措施

當對配電箱內的裝置進行連接時，必須將PLC與其他裝置隔離。在接地時，必須符合控制系統相同接地點的需求。接地電阻必須在100 Ω 以下，地導線的剖面面積不得少于2 mm，并與PLC 之間的間距不超過50 m。

3 PLC 軟件程序設計

STEP7 具有很強的PLC 程序設計語言。標準版本的軟體支持LAD（梯形圖）、STL（語句表）和FBD（功能圖），這些都是最基礎的程序設計，并且可以在STEP7 中進行交互。專業版提供了GRAPH（順序功能圖）SCL（結構化控制語言）HiGraph（圖形編程語言）CFC（連續功能圖）等編程語言的支持。各種類型的程序設計可以為具有各種知識背景的人員提供選擇[5]，如圖4、圖5 分別為風機啟動主程序和倒換風機自動控制方式流程圖。

圖4 風機啟動主程序流程圖

圖5 倒換風機自動控制方式流程圖

4 運行效果分析

工作人員能夠通過本系統實時對主通風機的性能、狀態和內部機械運行的各項參數進行了解，進行遠程控制，預設運行效果都得到了實現。通過該系統，能夠保證風機穩定運行，提高風機經濟效益。同時，系統兼具使用便捷、可靠性高的特點，對風機自動化管理工作的開展有很大的幫助。該系統還能為設備日常管理和維護檢修工作提供可靠的數據。