基于PLC的主通風機監控系統設計與應用

劉元杰

摘 要：主要通風機是現代工礦企業的重要裝備，通風機能否可靠運行，直接關系到企業的安全生產，主要通風機是否能建立在線監控系統有著十分重要的意義。本論文以礦井主要通風機的工作特點為中心，以PLC為主要控制設備，講解可編程控制器（PLC）在礦井通風系統中的應用;探討主要通風機實現自控功能的組成部分、系統工作原理、系統硬件的選型以及傳感器的選擇配置。

關鍵詞：通風機;自動控制系統;系統硬件選型

1 緒論

1.1 企業通風概況

主要通風機是完成礦井通風任務的主要裝備，擔負著往煤礦井下所有巷道、生產一線、輔助系統等持續輸送新鮮空氣，并將井下粉塵和污濁風流排出地面，保障煤礦井下作業工人的人體健康和安全的重要裝備。所以在現代化信息化日益發展的今天，對通風系統進行系統化的管理，對礦井主通風機采用在先進的在線監控技術，在企業安全生產中日益起著重要的核心作用。

1.2 主通風機監控系統實現的主要功能

①主要通風機監測監控系統能夠監測和控制低壓配電系統的開停狀態，實現對電氣系統的相關參數的采集和顯示。能夠對主要通風機的運行狀態、工作參數進行實時檢測和顯示。對主要通風機運行過程中實時的電流數值、電流的不平衡度、有功、無功、功率因數、電壓數值等，確保風機相關參數的實時動態監測;②實時地檢測主要通風機的風壓（包括靜壓力和全壓力）、風的速度、風量數值、電機軸承溫度值、定子的溫度值、電機的功率、電機的效率值、風機的效率值、風道內的空氣濕度、溫度、大氣壓等各種主要通風機運行時的數值，檢測風機閘板門的位置、主要通風機的開/停情況、檢測并接收反風時系統發出的信號指令等各種信息，控制主要通風機閘板門蝶閥的開啟和關閉，風機電機的啟動和停止;③系統能在控制界面上實現主要通風機切換的自動切換和手動切換的選擇，能在控制界面上可靠實現風機的自動切換。自動切換時系統能可靠實現1#、2#風門的開啟關閉、1#、2#蝶閥的開啟關閉以及1#、2#風機一級電動機二級電動機啟動停止的順序控制以及邏輯互鎖，防止誤操作;④系統能實現檢測風機電機的溫度和振動參數實現電機工況參數的定時監測，在監控界面顯示風機負壓和軸承溫度等重要參數;⑤系統能以實時曲線圖形的方式顯示在線監測量，并能夠轉換處理風機的運行歷史數據，便于查看不同日期、不同時間段各個數據值的變化情況;并且系統能繪制風機性能參數曲線;⑥系統能將報警燈閃爍提示切換到報警窗口以報表詳細顯示;并實現蜂鳴器鳴叫提示;⑦系統能完成風機實時運行數據的以太網發布，為遠程監控系統提供實時數據;系統能實現對監測數據的遠程訪問：搭建企業級網絡交換系統，把局域網和主要通風機監控系統的各種控制裝備接到外部網絡中。通過網絡交換裝置將局域網的全部數據信息接至外部網絡。最終通過以太環網實現遠程控制操作，并能實現主通風機機房的無人值守。

2 主要通風機監測監控系統的設計架構

2.1 系統的組成和特點

①系統控制部分的核心在主要通風機值班室內安裝了西門子S7-300，可以完成本系統的邏輯計算、邏輯閉鎖保護，主要通風機運行數據的動態收集，和數據格式化等多個方面功能;②系統的通信部分：應用的是多點接口（MPI）作為可編程控制器（PLC）和工控機之間數據通訊的橋梁，其物理層是RS-485，采用PROFIBUS連接PLC的MPI端口，以及系統工控機上面CP5711卡的D型口;③傳動部分采用四個10kV電機來驅動主通風機扇葉，采用兩個5.5kW、兩個1.5kW的電動機來驅動閘板門和蝶閥的開/閉;④檢測部分采用各種類型的傳感器、變送器，以及各種數字量/模擬量智能儀表等裝備。把系統相關信息傳輸到PLC的輸入/輸出模塊中以便進行后續處理。

2.2 主要通風機的運行數據情況的檢測

①溫度信號監測：電機定子溫度以及三相繞組溫度是由裝在電動機內部的PT100測溫電阻測量轉換后得到的，風道內空氣流的溫度則是由集成一體化的智能溫度變送器檢測得出，輸出的都是4～20mA電流信號，把電信號經過具有屏蔽功能的信號傳輸電纜傳遞送達到多回路溫度巡檢儀上，通信輸出：RS485，可以通過此串口與S7-300的CP340連接;②風機開機/停機信號的檢測：風機開停傳感裝置主要應用于監測本系統內各種機電設備的開機/停機狀態，并把采集到的設備開機/停機信號變換成符合系統標準的信號傳給可編程控制器（PLC）;③風量的檢測：采用的是普通型渦街流量計，風速變送器進行檢測;④主要通風機振動參數的檢測：采用新型振動傳感變送器，將傳統的振動感應傳感器與精密測量電子電路融合在一起，實現了更高精確度的振動數據量測量，可與PLC等控制系統直接連接在一起使用;⑤壓力的檢測：主通風機風峒中靜壓、全壓數據量的獲取和傳輸。靜壓和全壓兩者的測量原理和數據量獲取技術基本一致，都是通過鉆孔取壓，監測點選擇在主通風機側壁正中間，通過把得到的壓力數據信號通過新型變送器轉換成電的信號。HB1151DP2 Ⅲ N0Zd1電容式差壓/絕壓變送器，輸出5～20mA的標準電流信號;額定壓力4MPa;基準量程是0～0.125至0～1.5kPa;⑥電氣參數的檢測：是指風機電動機額定負載下的電流、空載時的電流、勵磁電流、電壓數值、功率值以及功率因數。由于主通風機房高壓配電開關柜采用南瑞的綜合保護裝置，能夠完成相關電氣數據的收集以及系統電路的保護，并可以通過CP360和南瑞綜合保護器的通訊拾取到;⑦系統抗干擾措施：所用變送器為電流輸出，傳遞數據使用的是雙絞線雙層屏蔽線纜，可以大幅度地減小電磁耦合效應的干擾。由于選用了隔離穩壓變壓器，以及超高精度的穩壓電源，大大改善了電源的相關特性。另外還選用了變送器專用電源，進一步增加了系統長期運行的可靠性、穩定性;⑧系統的通訊：通過光纖與主通風機房集控室、企業調度指揮中心的工控機進行聯網，從而達成對主要通風機的遠距離監測和控制。

3 主通風機監控系統輸入和輸出的統計配置

3.1 數字/模擬輸入點統計及模塊的選擇

數字量輸入模塊用來聯通外部機械觸點以及各類傳感器，比如光電開關等，將來自主通風機上系統以外的數字信號轉換為可編程控制器（PLC）系統以內的電信號，并且還具有濾波的功能，以避免系統以外的觸點抖動或干擾脈沖引發的錯誤信號對系統的干擾。通過數字量/模擬量輸入數量的統計，可以知道本系統一共有47個數字量輸入和50個模擬量輸入，因此選擇兩塊擁有32個輸入點的數字輸入模塊6ES7321-18L00-OAAO，各類模擬量經過處理器可以直接與可編程控制器（PLC）相聯通，一共兩塊CP340與溫度巡檢儀相連，其余則通過模擬輸入模塊與之相連，因此我選擇4塊8通道的6ES7331-7KF02-OABO模塊。

3.2 模擬量或數字量輸出點的統計及選擇

輸出模塊用來驅動接觸器、信號燈、電磁閥組、電動機起動器等相關負載，它將內部的電信號轉化成控制過程中所需要的外部電信號，又擁有功率放大、隔離信號干擾等作用。通過數字量/模擬量輸出數量的統計，可知在本系統中共有38個數字輸出點，考慮冗余，需配置兩個數字輸出模塊，分別是32輸出點的6ES7322-1FL00-OAAO以及16輸出點的6ES7322-1FH00-OAAO模塊。

4 結束語

在王家嶺煤業，主通風機監控系統的投入運行，大大降低了主通風機司機的勞動強度，提高了主通風機及其附屬設備設施的自動化水平和安全效率，在主通風機突發停機事故的情況下，風機的切換時間從之前的8-10min降低至3-5min，崗位人員配置從之前的每班兩人減少至每班一人。風機的反風操作等傳統方式下比較復雜的操作流程，在新的監控系統下也實現了智能化一鍵操作。

參考文獻：

[1]吳士東.主扇風機無人值守自動化監控系統設計[D].青島：山東科技大學，2006.