基于PLC的礦用通風機運行狀態監控

李 陽

（山西潞安集團潞寧煤業公司，山西忻州 036000）

0 引言

煤礦作為我國重要的能源之一，關系著國民經濟的發展。井下采礦作業中，有諸多影響生產安全的重要因素，而保證井下良好通風乃重中之重[1]。而礦用通風機便是保證井下通風的關鍵設備，擔任著向井下輸送新鮮空氣的重任，還能夠將粉塵和有害氣體排出。通風機一旦發生故障，井下有害氣體濃度升高，且氧氣不足，將直接影響人身安全?？梢娕鋫湟惶追€定可靠的通風機監控系統十分關鍵[2]。然而，目前市場上的礦用通風機監控系統太過簡單，監控范圍不全面，監控力度較弱，還滿足不了煤礦生產的發展需求。改變原有監控的模式，不斷提高礦用通風機監控系統的監控水平，才能真正地保證井下作業的安全運行。如今，在科技不斷發展的成果下，礦用設備的監控系統逐步成熟且有很好的效果，監控系統方面都采用先進的傳感器技術，搭配成熟的計算機技術，達到了在線實時監測等多項功能，這也將是礦用通風機監控系統的發展趨勢。

1 礦用通風機系統

礦用通風系統是通風方式、通風方法和通風網絡的總稱，通風系統主要由通風機和通風網絡組成[3]。礦井通風系統利用各種通風設備，將地表面空氣按著既定路線源源不斷地送到井下，同時將井下渾濁的空氣排到地面，還要嚴格保證井下各類有害氣體濃度被相關標準所允許。此外，通風系統還可以調節井下溫度，改善井下工作環境。

礦用主通風系統具體包括了通風機、風門、風井等，其中主通風機是核心部件，自然也是監控系統的首要對象。主通風機主要分為離心式和軸流式兩種[4]。

（1）離心式通風機結構簡單、造價低、容易維修，但體積大，且不能直接連接電動機。特性曲線平穩，常用于風量變化大但阻力變化小的礦井；風量調節方面，多利用閘門進行風量調節，但成本高，且操作麻煩；反風方面，沒有反風道則無法反風；聯合運轉方面，多臺并聯使用具有較高的穩定性[5]。

（2）軸流式通風機結構緊湊、體積小且輕、高轉速，可以直接相連電動機，因此具有較高的傳動效率，但這種類型的通風機機構較復雜，且各零部件都裝在機殼內，導致檢、維修不便[6]。高轉速也導致個別零部件易損壞，故障較多且噪聲大，需配備消音設備。特性曲線較陡，因而適合阻力變化大且風量變化小的礦井；改變葉片的安裝角度、級數、數量和倒流器等方法可以調節風量，簡單可行，經濟性能較好。與離心式相反，多臺并聯運行穩定性較差。

2 通風機監控系統的硬件設計

2.1 PLC的選擇

PLC的選擇原則：（1）估算I/O點數時應有足夠的余量備用；（2）適當的存儲器容量；（3）具有運算、控制和通信等功能?；谶@些原則，本文選擇西門子旗下的S7-300系列PLC，是一款模塊化的成熟PLC，能夠滿足通風機監控系統的基本需求[7]。其結構如圖1所示。

圖1 S7-300系列PLC的結構

S7-300主要功能：（1） 快速處理指令，約 0.1～0.6 μs；（2）優秀的界面，集成了人機界面，使得操作方便快捷；（3）具有診斷功能，能夠監控通風機系統的功能是否正常運行；（4）多級口令保護，能有效防止機密泄漏和程序篡改。

2.2 各功能模塊的實現

（1）輸入模塊

S7-300的PLC自帶的數字量輸入模塊即可將變送器采集的電平形式的數字信號轉換為PLC所需的內部信號電平。

（2）輸出模塊

S7-300的PLC所帶數字量輸出模塊將輸出0-1的開關信號并以此來驅動負載，同時還具有隔離和功率放大功能。

（3）通信模塊

S7-300所帶CP340通信模塊，該模塊與其余的綜合保護裝置通過接口RS485完成問答式的通信過程。

（4）CPU模塊

根據整個系統所需要的電流和功耗，本文選擇CPU314C-DP的CPU模塊，它具有兩種通訊端口MPI和DP。

（5）電源模塊

該模塊的額定輸出功率必須大于其他所有模塊所消耗功率的總和，并保證大約30%的余量，綜合考慮本文選擇PS307 10A這款電源模塊。

3 通風機監控系統的軟件設計

運用于S7-300相配套的編程軟件STEP7進行監控系統的軟件設計，該軟件通用于現有計算機系統，且支持多種語言和方式，多項功能也為軟件設計帶來了極大的方便[8]：（1）適用于各個控制系統，可用于管理所有數據；（2）能夠管理共享符號，并支持導入、導出和編輯；（3）多項硬件組態功能，例如可編輯的控制器、賦值操作等；（4）多種編輯語言，LAD、STL、FBD等；（5）診斷功能，指示各個模塊是否運行正常。

圖2所示為監控系統的整體結構圖，以下主要介紹通風機控制系統的軟件設計思路。通風機的控制部分涵蓋了PLC控制和電氣控制，硬件部分則是變頻器、風機、管道及傳感器等。首先變頻器帶動主通風機啟動，傳感器獲取管道中的壓力信號，再途經計算控制變頻器，最終送至控制系統。傳感器傳遞的信號到達上位機系統會進行相應計算，這時PID控制系統會向PLC傳遞相應的信號。而PLC得到數模模塊轉化后的電信號，便能對變頻器的啟停以及頻率進行控制，這就是對通風機電壓和頻率控制的實現，進而就實現了轉速的控制。這一系列控制組成了通風機的閉環反饋控制系統，將實時控制和監控主通風機，以最終滿足井下的通風要求。例如當管路中流量過大時會造成管路的壓力過大，閉環反饋系統將向變頻器發出一個信號，要求減少通風機的輸出，并隨即降低通風機的電壓和頻率，這便達到了降低管路流量和壓力的目的，從而達到流量和壓力的平衡，相反流量和壓力過小也遵循此反饋流程。實現自動調節通風機閉環反饋控制系統是使礦用通風始終保持在正常的安全水平，達到保障井下安全的目的。

圖2 系統結構

4 結束語

通風機是保證煤礦作業安全的核心設備，其運行情況關系著生產與人身安全，因此可靠有效地監控通風機十分重要且必要。本文所研究的監控系統集合了先進的傳感器、變送器等裝置，能夠實現通風機和關聯設備的實時監控。結合通風機的工作運行情況和井下作業環境的需求，設計了一款基于S7-300系列PLC的礦用通風機能監控系，主要分析研究了其系統結構組成，通過硬件選擇和軟件設計實現監控系統各個模塊的功能，并搭載了人機界面，具有優良的可操作性和實用性，使得通風機的監控更加直觀有效。這一系統可以提高礦用通風機的自動化水平，提升了井下的作業安全，為煤礦生產保駕護航。