礦井局扇風(fēng)機自動智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：礦井通風(fēng)良好是保障安全生產(chǎn)的基本條件。局扇風(fēng)機的可靠運行至關(guān)重要。本文運用PLC技術(shù)設(shè)計出一套局扇風(fēng)機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對風(fēng)機的主要參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，以便及時準(zhǔn)確掌握局扇風(fēng)機的運行狀態(tài)。本文從系統(tǒng)構(gòu)建、系統(tǒng)設(shè)計等方面進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：PLC;智能控制;變頻器;交互性

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部局扇風(fēng)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(shè)備。在局部通風(fēng)機內(nèi)部應(yīng)用智控技術(shù)，可以使通風(fēng)系統(tǒng)的效率得到極大提升，保證礦井順利運行，減少設(shè)備維護(hù)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(fēng)扇系統(tǒng)的構(gòu)建

局扇風(fēng)機體系內(nèi)部安裝了兩臺功能一致的軸流風(fēng)機，每一臺局扇風(fēng)機所運用的驅(qū)動設(shè)備都是8極變頻電機，電機的容量及電壓分別為450kW和10kV。這個局扇風(fēng)機還配置了檢測電機溫度的部件Pt100，對軸承溫度進(jìn)行檢測的設(shè)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(fēng)機運行過程中的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。

①溫度：定子、軸前后軸及風(fēng)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(fēng)扇振動參數(shù)：垂直、水平的振動參數(shù);

④風(fēng)扇狀態(tài)：油門所處的位置、電機的各個參數(shù);

⑤局扇風(fēng)機參數(shù)：靜壓、總壓力、空氣的流量等。

2 局扇風(fēng)機自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

該監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成主要包含兩部分，其功能分別對風(fēng)量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)、對風(fēng)扇運行的狀態(tài)進(jìn)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(gòu)成包含了變頻器、觸摸屏等多個設(shè)備，通過應(yīng)用通訊接口與局扇風(fēng)機檢測測試設(shè)備、變頻裝置、智能電源形成有效的連接，對阻尼器及風(fēng)扇的各個參數(shù)進(jìn)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(yuǎn)程的診斷級編程。采取控制器來輸出相關(guān)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(fēng)量，確保要求范圍之內(nèi)的空氣質(zhì)量，增強局扇風(fēng)機的效率，從而極大降低成本。在局扇風(fēng)機的自動監(jiān)控系統(tǒng)中PLC是其核心。

3 局扇風(fēng)機智控系統(tǒng)的硬件設(shè)計及參數(shù)檢測

3.1 PLC模塊的選擇

本系統(tǒng)所采取的SIEMENSS7300系列PLC，其中硬件設(shè)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。

3.1.1 風(fēng)壓的監(jiān)測

為了使局扇風(fēng)機維持穩(wěn)定可靠的運行，應(yīng)當(dāng)對風(fēng)扇的運行速度、流量等參數(shù)進(jìn)行檢測。系統(tǒng)采取相關(guān)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(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流量，并將其傳輸?shù)絊M331中，將電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并傳輸?shù)紺PU中。

3.1.2 溫度的監(jiān)測

在對電機溫度進(jìn)行監(jiān)測的時候，電機及風(fēng)扇軸的溫度是其最關(guān)鍵的參數(shù)。在風(fēng)機的監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)存在較高的溫度時，局扇風(fēng)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(jìn)行收集。由于鉑熱所具有較高的量程及檢測的精準(zhǔn)度，該系統(tǒng)采取PT100鉑熱電阻傳感器來對系統(tǒng)的溫度進(jìn)行收集。

3.1.3 對振動強度進(jìn)行監(jiān)測

對風(fēng)扇軸承在垂直及水平方向上的振動進(jìn)行監(jiān)測，通過運用振動位移傳感器及變送器進(jìn)行組合，在軸層前后兩側(cè)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(zhuǎn)換成為電流量，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，利用SM331將其傳輸給CPU。

3.1.4 對電氣的參數(shù)進(jìn)行測量

該參數(shù)是對局扇風(fēng)機及監(jiān)測設(shè)備的性能進(jìn)行監(jiān)測的關(guān)鍵指標(biāo)，可以對風(fēng)扇運行狀態(tài)及故障信息進(jìn)行充分把握，推動設(shè)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(guān)的變送器來對電力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，運用RS485總線來對功率進(jìn)行傳輸。

3.1.5 對氣體的濃度進(jìn)行監(jiān)測

氣體所包含的成分主要為CH4。對風(fēng)扇的出風(fēng)部位或礦井底部的氣體進(jìn)行監(jiān)測。為了對濃度進(jìn)行有效地控制，對于出風(fēng)部位及底部的CH4濃度可以運用瓦斯傳感器來進(jìn)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(shè)備的設(shè)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(fēng)機的運行進(jìn)行控制。系統(tǒng)可以對風(fēng)扇運行的速度進(jìn)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(shè)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(hù)功能，輸出功率的范圍也處于7.52kW左右，其中包含了一個485通訊接口，變頻設(shè)備內(nèi)部還設(shè)置了一個自動旁路柜。

4 局扇風(fēng)機智控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)所設(shè)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(jìn)行有效地控制。

4.1 總控中心軟件設(shè)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(yù)先設(shè)置參數(shù)的初始值、對硬件及電源進(jìn)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(jìn)行收集。

4.2 上位機監(jiān)控軟件設(shè)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(fēng)機與操作人員的交流互動。這個該系統(tǒng)的控制關(guān)鍵主要對整個系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行有效顯示。

5 結(jié)論

礦用變頻器局扇風(fēng)機所采取的智能化系統(tǒng)不僅可以有效監(jiān)測風(fēng)扇的狀態(tài)，而且可以持續(xù)識別與監(jiān)測風(fēng)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(fēng)機持續(xù)穩(wěn)定的運行。

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作者簡介：

劉亮亮（1985- ），男，山西臨縣人，本科，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，機電助理工程師。