基于PLC的SL400型通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)的研究

王 銓

（山西大同永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037024）

引言

通風(fēng)機(jī)在煤礦開采中被廣泛使用，一般常規(guī)的通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，通過采集通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、溫度、振動(dòng)信號等參數(shù)對通風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，根據(jù)對通風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號的分析，對其故障進(jìn)行預(yù)先判斷。根據(jù)現(xiàn)有某項(xiàng)目井下通風(fēng)系統(tǒng)的改造，提出總體設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)該方案完成對礦井通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、操作軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，由專業(yè)編程合作商實(shí)現(xiàn)軟件的開發(fā)，構(gòu)建了井下通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對通風(fēng)設(shè)備的監(jiān)測、控制[1-2]，優(yōu)化了礦井通風(fēng)系統(tǒng)，最終有效提高了礦井的通風(fēng)效率。

1 SL400型通風(fēng)機(jī)

礦用通風(fēng)機(jī)從其結(jié)構(gòu)可以分為前、中、后三大部分，前面主要是集流器、流線罩等結(jié)構(gòu)，主要是對流入通風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣體流向起到導(dǎo)向控制作用。中間部分主要是通風(fēng)機(jī)電機(jī)與葉片，是對空氣進(jìn)行加速的主要結(jié)構(gòu)[3]。通常可以通過控制葉片形狀或者是電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)內(nèi)流體通量的控制，對于通風(fēng)機(jī)的控制起著重要的作用。通風(fēng)機(jī)后部結(jié)構(gòu)主要包括后導(dǎo)向葉與擴(kuò)散器，其結(jié)構(gòu)主要作用是降低空氣流出通風(fēng)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)噪音，可有效提高空氣靜壓比例，達(dá)到節(jié)能的效果。SL400型通風(fēng)機(jī)具有很強(qiáng)的通風(fēng)能力，空氣輸送效能高。由集流器、流線罩、前導(dǎo)向葉、葉輪、后導(dǎo)向葉、擴(kuò)散器組成，通風(fēng)機(jī)輸送風(fēng)的能力受諸多因素影響，如通風(fēng)機(jī)電機(jī)的功率、節(jié)流閥、軸向?qū)Я髌鳌⑿D(zhuǎn)葉片等。因此，對通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的控制可以借助上述功能對軸流式通風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到遠(yuǎn)程控制井下環(huán)境通風(fēng)量的目的。

2 通風(fēng)機(jī)監(jiān)控參數(shù)

智能控制系統(tǒng)需要采集通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，并根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷井下環(huán)境、通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)。在本套通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)中，選擇了能反映通風(fēng)機(jī)直接運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，主要包括通風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量流速、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電參數(shù)信號、通風(fēng)機(jī)殼體振動(dòng)信號等：

1）空氣流速的測量。采用風(fēng)量負(fù)壓復(fù)合管檢測裝置進(jìn)行風(fēng)量以及風(fēng)速的測量，該測量方法可靠性好，測量準(zhǔn)確，可作為系統(tǒng)對空氣流速的監(jiān)測依據(jù)。

2）電機(jī)參數(shù)測量。直接接入通風(fēng)機(jī)的電路，可以獲得通風(fēng)機(jī)的工作時(shí)電壓、電流信號，為便于控制通風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可根據(jù)電信號對通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。

3）電機(jī)溫度測量。主要是在通風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)上布置溫度傳感器，可以通過其數(shù)值大概判斷通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，如果出現(xiàn)異常情況，可根據(jù)電機(jī)表面溫度進(jìn)行判斷。

4）振動(dòng)信號的測量。作為一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，通風(fēng)機(jī)的故障很可能是旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的失效故障，因此需要根據(jù)其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)信號進(jìn)行故障的識別與預(yù)判。為了比較準(zhǔn)確地采集到通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號，將振動(dòng)傳感器布置于風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸以及轉(zhuǎn)動(dòng)軸承之上，如圖1所示的4 個(gè)位置。

圖1 振動(dòng)信號采集位置

3 通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

以SL400型軸流式通風(fēng)機(jī)為研究對象，為了實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)的智能監(jiān)控與控制，有效提高通風(fēng)機(jī)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性，以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，基于PLC 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對通風(fēng)機(jī)的智能監(jiān)控與控制，系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)框圖如下頁圖2 所示，中央監(jiān)控室位于地面指揮控制中心。遠(yuǎn)程控制層通過工業(yè)以太網(wǎng)與井下現(xiàn)場的監(jiān)控系統(tǒng)保持聯(lián)系。

圖2 通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

智能控制系統(tǒng)主要構(gòu)架包括三層，分別為遠(yuǎn)程控制層、集中控制層、現(xiàn)場設(shè)備層。其中遠(yuǎn)程控制層主要由中央監(jiān)控主機(jī)、打印機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備組成，操作人員可以在監(jiān)控室對通風(fēng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作與控制。集中控制層由PLC 控制器、微處理器等組成，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的分析識別與簡單邏輯的控制。第三層主要為現(xiàn)場信號采集設(shè)備以及傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、顯示、存儲(chǔ)等，并對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[6]。

4 智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通風(fēng)機(jī)的智能控制系統(tǒng)主要對通風(fēng)機(jī)的各類運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并通過PLC 控制器對通風(fēng)機(jī)的電機(jī)、風(fēng)門等結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。基于通風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號，對其信號進(jìn)行分析、診斷，可以對通風(fēng)機(jī)常見故障進(jìn)行預(yù)先識別與報(bào)警。

4.1 智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

4.1.1 PLC 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

PLC 作為一種可編程的電控操作系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用，能夠?qū)崿F(xiàn)如邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)等操作指令，計(jì)算精準(zhǔn)、邏輯運(yùn)算速度快。本套智能控制系統(tǒng)PLC 結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對溫度、風(fēng)量以及電信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析，可接受控制中心發(fā)來的控制命令，同時(shí)也可以對通風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。

圖3 PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.1.2 變壓器

考慮到井下作業(yè)環(huán)境，以及煤礦開采中通風(fēng)機(jī)的重要性，引入兩套相對比較獨(dú)立的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為主副供電關(guān)系。當(dāng)其中一套供電線路產(chǎn)生故障時(shí)，可以立馬切換到另外一套供電系統(tǒng)。兩個(gè)獨(dú)立電源是由2 臺變壓器組成，選擇的型號為MJS-1200/6/0.5 kV，容量為1 200 kVA。

4.1.3 變頻器

根據(jù)該通風(fēng)機(jī)實(shí)際需要，選擇西門子公司生產(chǎn)的SHJ-2050型變頻器，該變頻器具有較好的可靠性，抗干擾能力強(qiáng)，非常適用于井下作業(yè)環(huán)境。

4.1.4 通風(fēng)機(jī)振動(dòng)傳感器

通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號反應(yīng)了其目前的振動(dòng)特性，能夠較好地反應(yīng)出通風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，通過振動(dòng)信號的分析，可以了解、診斷通風(fēng)機(jī)的故障。本設(shè)計(jì)方案中選擇了美國VITEC 振動(dòng)傳感器，可實(shí)現(xiàn)信號的采集、傳輸，同時(shí)具有較高的測量精度，使用較為方便。

4.2 智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)通風(fēng)機(jī)的實(shí)際功能，以及應(yīng)用需求，對整個(gè)井下通風(fēng)系統(tǒng)工藝過程、控制要求、性能參數(shù)等進(jìn)行分析，提出對軟件的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在TIA Portal 平臺上實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)主系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)、PLC 控制程序等。使用嵌套式程序設(shè)計(jì)，也就是各個(gè)子功能單獨(dú)成一個(gè)子系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)的各個(gè)功能集成到一個(gè)比較大的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對程序設(shè)計(jì)的拆解，有效降低了設(shè)計(jì)難度。本套系統(tǒng)中軟件編程由第三方專業(yè)程序編程公司合作完成，智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫基于微軟公司的SQL Server 創(chuàng)立，該管理系統(tǒng)具有較好的操作性以及易于使用等特點(diǎn)。

5 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)集成了通風(fēng)機(jī)智能控制的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)與操作按鈕。根據(jù)圖4 可知，監(jiān)控信息顯示了通風(fēng)機(jī)電機(jī)的溫度信息、電流與電壓信息，系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了對通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

圖4 通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)界面

完成了通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，并完成了智能控制系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)，該套系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對通風(fēng)機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障識別、智能控制等操作。由于篇幅所限，在此不再對系統(tǒng)所有的功能進(jìn)行一一說明，該系統(tǒng)整體達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。