基于可編程序控制器的煤礦主扇監控系統設計

□ 朱會東□ 田力勇

1.阜新高等專科學校 遼寧阜新 123000

2.遼寧工程技術大學 機械工程學院 遼寧阜新 123000

1 設計背景

煤礦主扇風機用于向井下輸送空氣，及時排出粉塵，以保障礦井生產安全和礦工生命安全。由于礦井井下環境條件惡劣，主扇風機一旦發生故障，將會給礦區生產安全帶來重大損害，因此建立一套功能完善的風機自動監控系統十分有必要[1-2]。針對當前監控系統存在的系統過于簡單、部分關鍵參數監測精度較低、監測內容不全面、未與調度中心信息系統集成等問題，基于S7-200系列可編程序控制器（PLC）設計了一種安全可靠、操作方便的煤礦主扇監控系統[3-4]。

2 煤礦通風系統構成

煤礦通風系統如圖1所示，主扇由兩組對旋式軸流通風機組成，其中一組為工作機，另一組為備用機[5]。每組通風機采用兩臺電機實現拖動，并分別安置在兩個獨立的風道中，最終匯入主風道。在每組風機入口處設有閘門，以便于進行調節風量及調換風機等操作。在兩個風道的出口處均配置了靜壓傳感器和差壓傳感器，用于測量并采集風機運轉時的負壓和流量等參數。

圖1 煤礦通風系統

主扇的通風量一般可分為一級和二級兩個級別。當風量為一級時，一臺電機運行。當風量為二級時，兩臺電機同時運行。風機正常運行時的通風方式為抽出式通風，這種通風方式可以起到抑制瓦斯的作用[6]。主通風機還可以通過改變電機轉向來實現反風控制。

3 煤礦主扇監控系統控制方案

3.1 控制要求

煤礦主扇監控系統中，控制部分可以分為礦井主通風機控制和風機各種參數測量。系統主要由上位機、PLC、變頻器和各種傳感器構成。PLC主要用于實現各個參數的采集和對風機運行狀態的控制。上位機主要實現儲存、實時顯示數據，以及打印等功能。為了礦井生產的安全可靠進行，管理人員要及時掌握礦井通風機的各種信息，實時采集風機運行的參數。如果有異常情況，可以進行實時報警。

3.2 系統原理

煤礦主扇監控系統的原理如圖2所示。上位機采用工業控制計算機，配有打印機及不間斷電源，監控軟件采集現場實時數據，并具有、顯示、存儲、打印、報警、生成實時及歷史曲線、網絡通信等功能，對礦井通風機進行遠程監控。下位機采用PLC，主要負責采集各項分級參數的監測數據，控制數據的輸入和輸出，實現對風機的實時監測，控制風機運行。

以2×185 kW對旋式軸流風機為例，選用S7-200 PLC、空氣壓力傳感器和變頻器等組成一個完整的閉環控制系統。系統中還包括接觸器、中間繼電器、熱繼電器、斷路器等系統保護設備，實現對電機和PLC的有效保護，以及對電機的切換控制。

圖2 煤礦主扇監控系統原理

為滿足自動控制的要求，系統提供手動、自動兩種工作模式，并具有現場控制方式、狀態顯示及故障報警等功能。

3.3 系統組成

煤礦主扇監控系統組成如圖3所示。PLC控制柜主要用于實現風機啟動、停機，以及兩臺風機切換過程中風門與其它輔助設備的自動控制。PLC采集柜由傳感器和變送器組成，主要用于采集煤礦通風機運行過程中電機的溫度、振動、電量等參數。集中監測控制臺主要用于提供人機交流信息，通過人機界面可以對煤礦通風機進行啟動控制，還可以實時監視風機運行中的各項參數，及時掌握風機的運行情況。PLC主要通過變頻調速裝置對風機進行變頻調速，進而實現節能的目的。系統可以根據井下風量的要求，通過調節變頻器的轉速來達到調節風速的目的，也可以根據給定的變頻器轉速來調節風機的風速[7-8]。

圖3 煤礦主扇監控系統組成

采用PLC控制，可以對電機的啟動與運行控制，還具有監控、聯鎖和過熱保護等功能。PLC與空氣壓力變送器配合使用，使系統控制的安全性、可靠性大大提高，同時使通風機運行時的故障率降低，提高設備的運轉率。

4 系統硬件選型

根據實際要求，并綜合各方面對比，基于S7-200 PLC進行設計，該PLC具有24個輸入點和16個輸出點。

PLC變頻器的型號為SJ700-3150HFE2，額定功率為315 kW，額定電流為600 A，額定電壓為380 V。變頻器可適配315 kW重載電機，完全滿足現場實際的功率需求，并留有一定的裕量。大多數變頻器都有RS 485接口，可分別使用PLC和變頻器的RS 485接口，通過通信的方式來控制設備的啟動、停止、正轉、反轉和調速，還可以通過這種方式修改變頻器的參數。

將PLC、觸摸屏和監控軟件結合起來，應用于煤礦主扇監控系統中，實現對通風機運行參數和驅動電機電氣參數的實時監測，并可顯示當前運行的通風機機號、正反轉信號、通風機開停狀態，以及變電所高低壓設備的運行參數、狀態，同時實現遠程監測和操控。

溫度傳感器選用Pt100鉑電阻傳感器。該傳感器利用金屬鉑在溫度變化時自身阻值也隨之改變的特性來測量溫度，能夠準確地測出軸承或定子的溫度，并將測量值傳送至PLC模數轉換電路。當被測介質中存在溫度梯度時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內介質層中的平均溫度。這種溫度傳感器的特點為耐振動，可靠性高，穩定性好，同時具有精確的靈敏性[9]。

連續檢測工作時風機軸承和電機軸承的溫度，是風機工況監測的一項重要任務。檢測時，由溫度檢測元件和變送器、電壓調制電路構成的檢測電路與PLC進行通信，將溫度參數上傳至工控機。根據本系統的監測要求，選擇熱電阻式熱電傳感器檢測風機溫度。

風量傳感器選擇KGF2型礦用智能風量傳感器，采用超聲測量原理，具有技術先進、使用方便、長期使用穩定可靠、免維護等特點。風量傳感器主要用于煤礦井下各坑道、風口、井口等處的風速、風量檢測，以確保煤礦的井下通風安全，可與各種煤礦監測系統配套使用。

選擇KGY4型負壓傳感器對風機壓力進行測量，用于檢測負壓的大小，為本質安全型產品，適用于煤礦井下系統。該傳感器采用高穩定性微型擴散硅壓力傳感元件，具有精度高、穩定可靠、使用方便等特點[10]。負壓傳感器能與各種煤礦安全及生產監測監控系統配套使用。

瓦斯傳感器選擇KGJ15型智能遙控甲烷傳感器，用于檢測煤礦井下瓦斯濃度。這一傳感器主要由黑白元件、檢測電橋、運算放大器、模數信號轉換、單片機、顯示、輸出等部分組成，是一種智能型檢測儀表，具有自動調零、自動調靈敏度、非線性補償等功能，使用方便，穩定可靠。瓦斯傳感器可與國內外各種煤礦監測系統配套使用。

對風機軸承進行振動監測與故障診斷時，通過速度傳感器測量軸承的振動峰值、均方根值或均值，并將這些測量值與事先標定出的允許值作比較，指示出軸承運行情況的正常與否。具體測試方法為：通過安裝在軸承部位的速度傳感器采集振動烈度信號，經過振動變送器送PLC，以便實時監控電機的運行情況。通過風機振動位移和振動周期，可以反映風機潛在的故障，避免風機停機等嚴重故障發生。經過比較之后，系統中選擇MT3T型電磁式速度傳感器。

5 系統軟件設計

基于PLC的煤礦主扇監控系統主程序流程如圖4所示。系統通電后，首先進行故障檢測，然后啟動風機，打開風門，通過傳感器完成通風機軸承溫度、風機振動強度及瓦斯濃度等參數采集。如果出現風機軸承溫度、振動值超限，則報警停機，如果瓦斯超限，則報警。如果沒有報警，則對系統參數進行采集轉換，送至PLC，經過運算處理，按系統要求進行控制。

5.1 風機啟動流程

1號風機與2號風機通過同一控制系統進行控制，筆者以1號風機為例介紹，其啟動流程如圖5所示。啟動后，打開通往井下的風門，同時關閉地面進風門。初始程序中設定通往井下的風門處于關閉狀態，地面風門處于開啟狀態。旋式軸流主通風機的葉輪由兩臺同等容量的電機來拖動，兩臺電機需相反方向旋轉。為防止電機同時啟動給電網帶來太大的沖擊，設定在1號風機電機1-1啟動30 s后，再啟動電機1-2。

圖4 煤礦主扇監控系統主程序流程

圖5 1號風機啟動流程

5.2 風機反風控制流程

對旋式軸流主通風機可通過改變電機的旋轉方向來實現反風，不需要另設反風通道。反風控制必須在電機完全停止的情況下才能進行。反風控制時，風門的狀態保持不變。以1號風機為例，當收到反風命令時，先按下1號風機電機的停止按鈕。當電機完全停止后，再按下1號風機電機1-1的反轉啟動按鈕，經過30 s時間后，按下1號風機電機1-2的正轉按鈕，進行反風。風機反風控制流程如圖6所示。

6 系統程序設計

圖6 風機反風控制流程

基于PLC的煤礦主扇監控系統采用STEP7編程軟件進行程序設計，按系統要求將用戶編寫的程序和程序所需要的數據放置在塊中，使單個程序部件標準化。通過塊與塊之間的調用，使用戶程序結構化，可以簡化程序組織，使程序易于查錯和修改。1號風機電機1-1啟動程序如圖7所示，1號風機電機1-1接入變頻器程序如圖8所示，1號風機軸溫度檢測程序如圖9所示，1號風機繞組溫度檢測程序如圖10所示，1號風機軸溫度超限報警程序如圖11所示，瓦斯報警程序如圖12所示。

圖7 1號風機電機1-1啟動程序

圖8 1號風機電機1-1接入變頻器程序

圖9 1號風機軸溫度檢測程序

圖10 1號風機繞組溫度檢測程序

圖11 1號風機軸溫度超限報警檢測程序

圖12 瓦斯報警程序

7 結語

針對傳統主扇風機控制系統中存在的問題，基于PLC設計了煤礦主扇監控系統，并進行了深入研究。

（1）下位機系統采用S7-200 PLC，硬件簡單、安全，軟件通俗易懂，便于學習，方便調試和維修。通過PLC和各種傳感器的結合，對通風機的各種信號進行采集，并傳送至上位機進行顯示。避免了傳統繼電器機械接觸點多、控制方法固定等缺點,極大地提高了系統的靈活性、可靠性。

（2）煤礦主扇的風量調節主要采用目前先進的變頻調速方案。采用矢量控制技術，配合礦井主通風機的工作環境，只需對變頻器的頻率進行參數設置,即可達到快速調節風量的目的。

（3）為了提高系統的安全性，對通風機的各項參數進行監測。

（4）在設計中,采用STEP7編程軟件，實現對PLC的編程。用戶通過PLC梯形圖編寫應用程序，可以實現各種控制，滿足實際的需求。