PLC監(jiān)控系統(tǒng)在對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用研究

韻 凱

(西山煤電集團(tuán)公司 機(jī)電處，山西 太原 030050)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

PLC監(jiān)控系統(tǒng)在對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用研究

韻 凱

(西山煤電集團(tuán)公司 機(jī)電處，山西 太原 030050)

為了提高礦井主通風(fēng)機(jī)的可靠性和安全性，對(duì)西山煤電西銘礦冀家溝風(fēng)機(jī)房使用的2臺(tái)對(duì)旋主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，并結(jié)合日常人工手動(dòng)操作風(fēng)機(jī)所發(fā)現(xiàn)的問題，利用電機(jī)內(nèi)部自帶的溫度傳感器，壓力傳感器、高開柜內(nèi)選取電壓、電流等信號(hào)，將風(fēng)機(jī)蝶形風(fēng)門遠(yuǎn)控點(diǎn)、高開柜遙控信號(hào)的接入，運(yùn)用“PLC+工業(yè)以太網(wǎng)+IPC”的監(jiān)控模式，對(duì)主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作進(jìn)行了改造，達(dá)到了煤礦主通風(fēng)機(jī)的高效運(yùn)行、在線監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控及操作，為礦井安全生產(chǎn)提供了重要保證。

對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)；性能測(cè)試；PLC；監(jiān)控系統(tǒng)；遠(yuǎn)程操作

煤礦生產(chǎn)主要是地下作業(yè)，自然條件比較復(fù)雜，只有少數(shù)井巷與地面相通。為保證安全生產(chǎn)，必須對(duì)礦井不斷輸入新鮮空氣并排出污濁空氣。主通風(fēng)機(jī)也稱為主扇，是煤礦非常重要的地面大型設(shè)備，它能夠有效防止井下瓦斯的聚集，進(jìn)一步降低瓦斯爆炸的可能性，為確保礦井安全生產(chǎn)提供保障。我國煤礦安全規(guī)程規(guī)定，當(dāng)主通風(fēng)機(jī)突然停機(jī)時(shí)，必須保證在10 min內(nèi)恢復(fù)向礦井供風(fēng)，因此，對(duì)主扇風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)的實(shí)時(shí)掌控和調(diào)整是非常必要的。西山煤電集團(tuán)公司西銘礦冀家溝主通風(fēng)機(jī)一直使用傳統(tǒng)的通風(fēng)控制系統(tǒng)，即簡單繼電器+接觸器的控制系統(tǒng)，并人為對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電流表、電壓表、負(fù)壓計(jì)、流量計(jì)等監(jiān)測(cè)表/計(jì)進(jìn)行巡查監(jiān)督記錄，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的閥門和開關(guān)設(shè)備等進(jìn)行手動(dòng)操作。發(fā)現(xiàn)通風(fēng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題進(jìn)行處理或正常倒機(jī)操作時(shí)，往往存在程序繁瑣，操作過程時(shí)間長，容易出現(xiàn)誤操作等問題，最終造成井下瓦斯超限的安全隱患。所以，必須對(duì)舊的風(fēng)機(jī)監(jiān)控和操作系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 PLC監(jiān)控系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 煤礦用對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)的工作特性曲線

軸流式通風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作特性可以用3條曲線來表示[1]，分別是風(fēng)壓特性曲線、功率特性曲線和效率曲線，見圖1.

圖1 軸流式通風(fēng)機(jī)特性曲線圖

由圖1風(fēng)壓特性曲線可以看出，主扇風(fēng)機(jī)的風(fēng)量呈減小趨勢(shì)，而全壓值在曲線圖上所表現(xiàn)出來的是先增加再減小又增加的形態(tài)。造成了小流通風(fēng)量區(qū)域通風(fēng)機(jī)的特性曲線出現(xiàn)了駝峰形狀，因此，主扇通風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中不建議在此區(qū)域工作。

由圖1功率特性曲線可以看出，主扇風(fēng)機(jī)電機(jī)軸的功率在主風(fēng)機(jī)不帶任何負(fù)載時(shí)達(dá)到了最大，隨著風(fēng)門慢慢開啟，風(fēng)量慢慢的增加，主扇軸功率逐漸減小。因此，為了保護(hù)電機(jī)，避免電機(jī)啟動(dòng)過載保護(hù)動(dòng)作，主通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)閥門必須全部開啟。

西銘礦冀家溝風(fēng)機(jī)房使用的是北京燕京風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的FBCDZ-8-№28 (2×355 kW)軸流風(fēng)機(jī)，通過對(duì)主通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量截面的控制，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。根據(jù)上述3條軸流風(fēng)機(jī)特性曲線的特點(diǎn)，按照不同風(fēng)量測(cè)量下的風(fēng)壓、功率等參數(shù)采取給定工作頻率的不同，或者調(diào)整了風(fēng)葉葉片角度等方法，使用PLC監(jiān)控系統(tǒng)來調(diào)節(jié)主扇的風(fēng)量，保證主扇的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.2 PLC監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)主通風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)監(jiān)控

主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的主要參數(shù)監(jiān)測(cè)主要有以下幾點(diǎn)：

1) 風(fēng)機(jī)參數(shù)：負(fù)壓、靜壓、流量、效率、軸承溫度、軸承振動(dòng)。

2) 通風(fēng)機(jī)電參數(shù)測(cè)量內(nèi)容包括：電流、電壓、功率、功率因數(shù)及電度。通過對(duì)這些電參數(shù)的監(jiān)測(cè)，可以確定通風(fēng)機(jī)的輸入功率、輸出功率、風(fēng)機(jī)的效率，同時(shí)，也可以了解通風(fēng)機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，有利于發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的故障。

3) 開關(guān)量狀態(tài)：饋出口柜狀態(tài)、進(jìn)線柜的狀態(tài)、聯(lián)絡(luò)柜狀態(tài)、電機(jī)是否運(yùn)行、電機(jī)處于正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)、風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行、蝶閥以及風(fēng)門是開啟還是關(guān)閉，有無故障報(bào)警。

主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)就是通過安裝在風(fēng)機(jī)各處的傳感器，獲得風(fēng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)參數(shù)，在上位機(jī)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的觀察分析，判斷風(fēng)機(jī)運(yùn)行是否正常，是否存在故障隱患，保證風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

由于施工企業(yè)的項(xiàng)目有著分布廣的特性，為此持續(xù)的財(cái)務(wù)監(jiān)督是必不可少的。通過將綜合檢查和專項(xiàng)檢查相結(jié)合，自查和互查相結(jié)合，從而形成全方位覆蓋的監(jiān)督監(jiān)察網(wǎng)，保證施工企業(yè)工程項(xiàng)目部的財(cái)務(wù)管理有效性、防止成本失控與效益的流失。要將檢查作為日常檢查制度，實(shí)行業(yè)務(wù)考核制度，有效提高制度的執(zhí)行力，提高員工的工作積極性。

1.3 主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)所采用的組成結(jié)構(gòu)方式

冀家溝主扇在線監(jiān)測(cè)運(yùn)用的是西門子公司PLC+工業(yè)以太網(wǎng)+工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)(IPC)的監(jiān)控模式，從風(fēng)機(jī)和蝶閥等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)與PLC之間是采用過程現(xiàn)場(chǎng)總線的通信方式，工程師控制站與PLC之間應(yīng)用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的多點(diǎn)通信方式，上層網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)之間采用色散管理與相位共軛技術(shù)的通信方式(圖2).在線監(jiān)測(cè)改造使用的是西門子公司S7-300系列的PLC，將這一系列的PLC用作下位機(jī)，上位機(jī)使用工控機(jī)，在監(jiān)控室安裝控制柜，并且將信號(hào)采集設(shè)備和控制輸出設(shè)備放于控制柜內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)的記錄及分析，風(fēng)機(jī)的故障報(bào)警、遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送、診斷。

圖2 軸流風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

2 新在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成

冀家溝風(fēng)機(jī)房的在線監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)按照功能模塊化思路設(shè)計(jì)，主要由AI模塊、DI模塊、DO模塊，上位工控機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控，風(fēng)機(jī)數(shù)值采集、控制PLC模塊、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制模塊等組成(圖3).

圖3 主扇控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

2.1 傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)

風(fēng)機(jī)就地各個(gè)信號(hào)的測(cè)量是通過多種類型的傳感器經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換信號(hào)后實(shí)現(xiàn)。其中電機(jī)運(yùn)行參數(shù)是重點(diǎn)[2]，根據(jù)通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)的具體要求，冀家溝主通風(fēng)機(jī)采用的是佳木斯電機(jī)廠生產(chǎn)的電機(jī)，電機(jī)內(nèi)部包含6組定子、2組前軸、2組后軸溫度傳感器。振動(dòng)信號(hào)通過安裝在風(fēng)機(jī)電機(jī)風(fēng)筒里的振動(dòng)傳感器把振動(dòng)速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；壓力信號(hào)則是通過引壓裝置采集局部環(huán)節(jié)差壓信號(hào)。

2.2 PLC的選型

根據(jù)冀家溝主扇通風(fēng)機(jī)的工作特點(diǎn)，經(jīng)過分析可知，其完整的控制過程需要可控變化量90個(gè)左右，系統(tǒng)的CPU類型選擇緊湊型-CPU 314，考慮到系統(tǒng)余量，參照西門子公司PLC(S7-300)系列手冊(cè)，對(duì)AI模塊、DI模塊、DO模塊、PS307、IM361、IM360、遠(yuǎn)程網(wǎng)路通信模塊進(jìn)行選型[3].

3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)的組態(tài)

按照冀家溝主風(fēng)機(jī)的監(jiān)控要求，安裝PLC控制程序軟件并建立程序塊，其主要包含5個(gè)FC功能塊，3個(gè)數(shù)據(jù)塊，1個(gè)組織塊OB1，1個(gè)模擬量輸出模塊FC106，1個(gè)輸入模塊FC105. 在各程序塊內(nèi)進(jìn)行編程(圖4).OB1循環(huán)組織塊是程序主體，主要程序都編寫在OB1中，此外主程序塊還可以調(diào)用其它各種功能或功能塊，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

圖4 1#風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)柜工作啟動(dòng)程序示意圖

3.2 上位機(jī)的組態(tài)

西銘礦冀家溝主扇風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的是北京昆侖泰通自動(dòng)化軟件公司的監(jiān)視與通用控制系統(tǒng)組態(tài)軟件，可以快速構(gòu)造和生成監(jiān)控系統(tǒng)所需界面，可視性好，維護(hù)性強(qiáng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)控制功能。

系統(tǒng)監(jiān)控主界面見圖5，主通風(fēng)機(jī)后臺(tái)電腦監(jiān)控畫面主要有2臺(tái)風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部位測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)反饋，風(fēng)門蝶閥的關(guān)啟反饋，開關(guān)量狀態(tài)，系統(tǒng)集中控制中心，報(bào)警畫面及歷史記錄，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)表的輸出打印。

圖5 系統(tǒng)監(jiān)控主界面圖

4 新監(jiān)控系統(tǒng)的投運(yùn)

4.1 改造后發(fā)現(xiàn)的問題及處理

將冀家溝主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造后，收到了預(yù)期的效果，但是在運(yùn)行了一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)仍存在一些問題。

1) 風(fēng)筒風(fēng)壓的遠(yuǎn)傳數(shù)值和通過水銀柱實(shí)地測(cè)量得到的結(jié)果有一些偏差，并且數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定。初步判斷是變送器故障，檢測(cè)后排除；經(jīng)過推敲，最終確定是通訊線路的問題。經(jīng)分析由于冀家溝風(fēng)機(jī)房風(fēng)機(jī)與后臺(tái)監(jiān)控室之間有一段較長的距離，在風(fēng)筒上取風(fēng)壓信號(hào)后，通過1條單獨(dú)的通訊信號(hào)線經(jīng)過架空桿、電纜溝等很長距離后接入監(jiān)控室，并且沒有較好地進(jìn)行電纜防干擾屏蔽，這些因素造成了信號(hào)的不穩(wěn)定及不準(zhǔn)確。措施使用大功率信號(hào)變送器，增強(qiáng)信號(hào)的輸出；優(yōu)化信號(hào)走線布置，縮短線纜長度；與動(dòng)力電纜同線槽布置時(shí)保持規(guī)定距離，防止干擾，最終該問題得以解決。

2) 為了監(jiān)控風(fēng)機(jī)電機(jī)及葉片等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備造成的振動(dòng)，在風(fēng)筒上安裝了X軸和Y軸方向的振動(dòng)監(jiān)測(cè)探頭。風(fēng)機(jī)運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)：電機(jī)及葉片結(jié)合部位肉眼觀測(cè)有明顯振動(dòng)，而探頭顯示振動(dòng)值幾乎為零，起不到監(jiān)控作用。措施：經(jīng)分析由于原廠風(fēng)機(jī)出廠時(shí)并未預(yù)設(shè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)位，而振動(dòng)探頭的安裝位置直接決定著數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)廠家提供的意見把探頭通過焊接支架直接安裝在風(fēng)筒外壁上，振動(dòng)傳導(dǎo)到這里已經(jīng)非常微弱，體現(xiàn)不出關(guān)鍵部位的振動(dòng)情況，后來根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)及長期觀察振動(dòng)較大部位，最終確定了振動(dòng)探頭在風(fēng)筒內(nèi)部風(fēng)機(jī)電機(jī)支架底部的安裝位置，現(xiàn)已長期運(yùn)行，數(shù)值顯示精準(zhǔn)。

4.2 改造后的使用效果

冀家溝主通風(fēng)機(jī)新監(jiān)控系統(tǒng)改造以后，經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行觀察，系統(tǒng)運(yùn)行非常平穩(wěn)，PLC動(dòng)作正常，后臺(tái)操作界面顯示友好，各系統(tǒng)通信較為暢通，主通風(fēng)機(jī)的所有關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)和參數(shù)都能夠在后臺(tái)機(jī)上直接查看，報(bào)警提示非常醒目及時(shí)，風(fēng)門及電機(jī)的操作也全部從后臺(tái)電腦進(jìn)行。經(jīng)過實(shí)測(cè)，在模擬事故狀態(tài)下的倒機(jī)操作只需要3 min就能全部完成，降低了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)備的可靠性。

5 結(jié) 語

利用“PLC+工業(yè)以太網(wǎng)+ IPC”技術(shù)對(duì)冀家溝風(fēng)機(jī)房監(jiān)控操作系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高了設(shè)備的可靠性，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了安全系數(shù)，確保了井下工人的生命安全，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣。

[1] 張 俊，姚金林．GAF型礦用軸流式主要通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試[J]．煤礦科學(xué)技術(shù)，2005(3)：22-25.

[2] 崔 鑫，李繼勇．PLC在煤礦主通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J]．煤礦機(jī)械，2004(4)：25-28.

[3] 王嘯東.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法解析[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2011(1)：43-48．

Application of PLC Monitoring System in Counter-rotating Axial Fan

YUN Kai

For the improvement of the reliability and safety in main ventilation fan, the performance of the two main fans in Ximing coal mine( which is under xishan coal and electricity group) is measured and analyzed. Combined with the already known problems during daily manual operation. Data from the temperature sensor and pressure sensor inside the motor are collected, voltage and current signals from high voltage switch cabinet also being introduced, the butterfly shaped air-door remote signal and remote operation signal from high voltage cabinet adopted, together with the PLC+Industrial Ethernet+IPC Monitoring mode, the monitoring and remote operation system are totally upgraded, so to achieve the on-line monitoring, remote monitoring and operation, efficiency increased and safety production guaranteed.

Counter-rotating axial fan; Performance test; PLC; Monitoring system; Remote operation

2016-11-21

韻 凱(1982—)，男，山西清徐人，2005年畢業(yè)于徐州礦院，助理工程師，主要從事礦山機(jī)電技術(shù)及管理工作

(E-mail)864800523@qq.com

TD724

B

1672-0652(2017)01-0017-03