礦井局扇風機自動智能控制系統(tǒng)的設計

時三波

（山西晉煤集團技術研究院有限責任公司， 山西 晉城 048000）

引言

煤礦通風系統(tǒng)內(nèi)部局扇風機的功能在于減小井下作業(yè)面的溫度，為井下提供充足的新鮮空氣、清除甲醛、清除灰塵等，是確保礦井持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的核心設備。在局部通風機內(nèi)部應用智控技術，可以使通風系統(tǒng)的效率得到極大提升，保證礦井順利運行，減少設備維護所需的成本及能源的消耗量，以取得較高的調(diào)速精度。

1 局風扇系統(tǒng)的構建

局扇風機體系內(nèi)部安裝了兩臺功能一致的軸流風機，每一臺局扇風機所運用的驅動設備都是8 極變頻電機，電機的容量及電壓分別為450 kW 和10 kV。這個局扇風機還配置了檢測電機溫度的部件Pt100，對軸承溫度進行檢測的設備，電機除濕加熱器，阻尼器等。在手動及自動的頻率之間，該系統(tǒng)可以完成變頻器輸出；同時，系統(tǒng)可以對局扇風機運行過程中的實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。

1）溫度：定子、軸前后軸及風扇的溫度。

2）電氣參數(shù)：電流、有功及無功功率、功率因數(shù)等。

3）風扇振動參數(shù)：垂直、水平的振動參數(shù)。

4）風扇狀態(tài)：油門所處的位置、電機的各個參數(shù)。

5）局扇風機參數(shù)：靜壓、總壓力、空氣的流量等。

2 局扇風機自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計

該監(jiān)控系統(tǒng)的構成主要包含兩部分，其功能分別對風量進行自動調(diào)節(jié)、對風扇運行的狀態(tài)進行監(jiān)測。在系統(tǒng)硬件的控制系統(tǒng)中采用了S7-300 系列的PLC，另一部分的構成包含了變頻器、觸摸屏等多個設備，通過應用通訊接口與局扇風機檢測測試設備、變頻裝置、智能電源形成有效的連接，對阻尼器及風扇的各個參數(shù)進行連接與監(jiān)測，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C 監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度中心中，同時持續(xù)監(jiān)測氣體、壓力、溫度等各個參數(shù)，系統(tǒng)可以開展遠程的診斷級編程。采取控制器來輸出相關的數(shù)據(jù)信息，變頻器可以基于反饋數(shù)據(jù)來調(diào)整風量，確保要求范圍之內(nèi)的空氣質量，增強局扇風機的效率，從而極大降低成本[1-2]。在局扇風機的自動監(jiān)控系統(tǒng)中PLC 是其核心，其結構圖詳見圖1。

圖1 局扇風機組自動監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

3 局扇風機智控系統(tǒng)的硬件設計及參數(shù)檢測

3.1 PLC 模塊的選擇

本系統(tǒng)所采取的SIEMENS S7 300 系列PLC，詳見圖2，其中硬件設施主要有電源、SM322（2 個）、CPU314、SM321（3 個）和SM331 模擬量輸入（4 個）等板塊，各個系統(tǒng)執(zhí)行參數(shù)的監(jiān)測。

圖2 S7-300 的硬件結構示意圖

1）風壓的監(jiān)測。為了使局扇風機維持穩(wěn)定可靠的運行，應當對風扇的運行速度、流量等參數(shù)進行檢測。系統(tǒng)采取相關的傳感器來監(jiān)測其中的壓力。傳感器可以將壓力或流量轉換為相應的電流量，并將其傳輸?shù)絊M331 中，將電流進行轉換，并傳輸?shù)紺PU中。

2）溫度的監(jiān)測。在對電機溫度進行監(jiān)測的時候，電機及風扇軸的溫度是其最關鍵的參數(shù)。在風機的監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，當存在較高的溫度時，局扇風機將無法正常運行。溫度傳感器的功能在于對前后軸承、定子等部件的溫度進行收集。由于鉑熱所具有較高的量程及檢測的精準度，該系統(tǒng)采取PT100 鉑熱電阻傳感器來對系統(tǒng)的溫度進行收集。

3）對振動強度進行監(jiān)測。對風扇軸承在垂直及水平方向上的振動進行監(jiān)測，通過運用振動位移傳感器及變送器進行組合，在軸層前后兩側分別配置了電機振動傳感器，電機軸承發(fā)生振動所形成的強度主要為線性，通過SM331 來轉換成為電流量，并將其轉變?yōu)閿?shù)字信號，利用SM331 將其傳輸給CPU。

4）對電氣的參數(shù)進行測量。該參數(shù)是對局扇風機及監(jiān)測設備的性能進行監(jiān)測的關鍵指標，可以對風扇運行狀態(tài)及故障信息進行充分把握，推動設備運行。該參數(shù)主要包含了三相電流及電壓、有功及無功的功率等。系統(tǒng)主要運用相關的變送器來對電力參數(shù)進行監(jiān)測，運用RS485 總線來對功率進行傳輸。

5）對氣體的濃度進行監(jiān)測。氣體所包含的成分主要為CH4。對風扇的出風部位或礦井底部的氣體進行監(jiān)測。為了對濃度進行有效地控制，對于出風部位及底部的CH4濃度可以運用瓦斯傳感器來進行監(jiān)測，傳感器具備聲光報警及顯示的功能，同時具有各路信號輸出及報警展示的功能，可以與信號的收集及監(jiān)測相吻合的礦井系統(tǒng)連接。

3.2 變頻設備的設計

變頻系統(tǒng)所采取的模式為運用一個變頻器來對2 臺局扇風機的運行進行控制[3]。系統(tǒng)可以對風扇運行的速度進行控制，改良運行的狀況，利用逆變器來實現(xiàn)節(jié)能的目的。該系統(tǒng)所采用的變頻器為MM430，其內(nèi)部設置有PID 控制器，具有較強的穩(wěn)定性及靈敏度，該逆變器具有較好的性能，其中包含各個保護功能，輸出功率的范圍也處于7.52 kW 左右，其中包含了一個485 通訊接口，變頻設備內(nèi)部還設置了一個自動旁路柜。

4 局扇風機智控系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)所設計的軟件主要包含兩個部分，分別為上位機和總控中心兩部分，這兩個部分可以對系統(tǒng)進行有效地控制。

4.1 總控中心的軟件設計

該系統(tǒng)所運用的編程為STEP-7。PLC 程序內(nèi)部主要包含了主程序、控制程序兩種。其中主程序主要包含了故障監(jiān)測及報警、頻率控制程序、電機開啟、初始化程序等多項功能。初始化程序主要包含了各個預先設置參數(shù)的初始值、對硬件及電源進行檢測，在明確流程之后，開啟控制系統(tǒng)，模擬采集板塊可以對氣體的含量、溫度、振動的信息等進行收集。

4.2 上位機監(jiān)控軟件設計

本系統(tǒng)采取西門WinCC 組態(tài)來作為PC 監(jiān)控軟件。該組態(tài)軟件可以實現(xiàn)局扇風機與操作人員的交流互動。這個該系統(tǒng)的控制關鍵主要對整個系統(tǒng)進行管理。監(jiān)視器的屏幕中可以對各個監(jiān)測參數(shù)、報警信息及故障問題進行有效顯示。

5 結論

礦用變頻器局扇風機所采取的智能化系統(tǒng)不僅可以有效監(jiān)測風扇的狀態(tài)，而且可以持續(xù)識別與監(jiān)測風扇的故障。該系統(tǒng)具有較好的交互性，可以在同一個平臺上來查詢、展現(xiàn)及控制系統(tǒng)，確保局扇風機持續(xù)穩(wěn)定的運行。