PLC 技術在煤礦通風機在線監(jiān)控系統中的應用

王 偉

（西山煤電集團有限責任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030053）

引言

中國煤炭資源豐富，主要分布在我國山西、內蒙古、陜西等地，整體分布不均。據統計，我國煤炭資源儲量占據世界煤炭資源儲量的1/3。隨著清潔能源等不斷發(fā)展，核能、風能、太陽能等得到了廣泛的應用，但由于我國能源需求量巨大，清潔能源僅是杯水車薪，所以煤炭資源仍是我國國民生產最重要的保障。隨著開采年限的不斷增加，我國淺埋的煤層逐步開采殆盡，目前開采的重點逐步向著深部煤層進行[1-2]。在煤礦開采過程中，通風機是礦井正常開采重要的機械設備，其主要是將井下污濁空氣進行排除并向井下輸入新鮮空氣，所以其能否安全可靠的運行對于礦井正常安全生產十分重要[3-4]，本文基于PLC 冗余技術對通風機監(jiān)控系統進行設計，有效提升通風機監(jiān)控系統的可靠性。

1 監(jiān)控系統總體設計

在進行主通風機監(jiān)控系統設計時，需要充分考慮安全可靠的原則，由于井下傳感器數量重多，如果系統顯示的信息量無法實時的更新時，此時將會出現信號滯后的問題，此時操作人員可能會對信息做出錯誤的判斷，所以在組建系統時應當充分考慮此問題，提升系統的集成可靠程度。同時系統在進行設計時需要考慮控制權限優(yōu)先級的問題，使得系統做到分散控制集中管理。最后設計的系統需要具備良好的兼容性及可擴展性，便于后期系統設備的增加。在充分考慮分布式控制系統、現場總線控制系統及以太網控制系統后選定成本相對低廉、相應速度較快、兼容性較好的以太網控制系統。首先進行監(jiān)控系統框架的構件，由于系統中電機、風門、傳感器等眾多，所以選定CP340 進行模擬量的采集，系統通過兼容的通訊信號，通過輪詢的方式進行數據采集，以以太網為保障避免數據的滯后問題，同時選定S7300可編程控制器，上位機選定為組態(tài)王，保證顯示具有穩(wěn)定性。

對監(jiān)控系統的功能進行設計，首先監(jiān)控系統需要對現場進行就地控制，對系統的設備進行就地的急停急啟，同時系統應當實現自動控制，利用PLC 控制柜為基礎對系統的采集數據進行邏輯分析，為了保障系統可靠性，采用冗余設置，當一個系統出現問題時，備用系統及時啟動。

為了實現不停風自動倒機功能，解決由于倒機造成的瓦斯超限問題，所以本系統采用不停風自動倒機模式，在傳統的倒機模式基礎上增加水平風門，當系統符合自動倒機模式時，PLC 控制器會發(fā)出自動倒機命令，實現自動倒機，增加水平風門的通風通路如圖1 所示。

圖1 增加水平風門的通風通路圖

功能報警同樣是系統必不可少的一個功能，通風系統的報警一般可以分為風機的軸承溫度、風機振動、風機的負壓等方面報警，傳感器通過收集異常信號傳輸至PLC 端，及時發(fā)出報警。

2 硬件、軟件設計及現場應用效果分析

2.1 硬件設計

完成系統的結構分析后對模型的硬件進行分析設計，首先對可編程的控制器進行選型，考慮到經濟性、合理性的選定CPU315-2PN/DP 為系統的控制器，CPU315-2PN/DP 控制器能夠支持2 048 個M 存儲字節(jié)，同時其內部嵌入微型處理器，可搭建32 模塊的控制系統，控制器用于兩個以太網接口，能夠支持PG/OP、TCP/IP、S7 通信。

對傳感器進行選型，考慮到礦井井下氣溫較低，所以系統選定具有抗震防凍的6233C-10 振動傳感器，系統的壓力傳感器選定為量程為0～2 kPa 的1151DP 型壓力傳感器。為了對系統風機軸承等部位的溫度進行檢測，選定PT100 電阻傳感器。同時系統需要對風機的電壓、功率、電流等進行數據采集，所以本文選定電壓量程0～100 V，電流量程為0～5 A的EDA9033A 電參數模塊，采集的信號經過RS485總線傳輸至PLC 控制器，并將數據進行儲存。

對系統的通信網絡進行建立，由于通風機系統的傳輸數據量巨大，所以極易出現信號的丟失問題，因此系統的通信網絡結構應當適當的簡化，且要保證模塊間的兼容性較好，所以設計如圖2 所示的通信網絡系統。

圖2 通信網絡系統結構圖

如圖2 可以看出，系統采用以太網為通信基礎，對遠處的集中監(jiān)控層和現場的控制層及總站通過工業(yè)交換機進行連接，形成系統網絡結構，操作人員通過對系統網絡節(jié)點進行監(jiān)控就能夠實時了解現場通風機的運行情況，當系統的節(jié)點發(fā)生錯誤時，此時系統為環(huán)形結構，所以其中一項數據出現錯誤時，不會影響整體運行。

2.2 軟件設計

對風機監(jiān)控系統的PLC 軟件進行設計，首先對控制器的程序進行設定，程序包含著初始化程序、數據通訊程序、主備系統程序及報警程序等。PLC 控制器的結構程序示意圖如圖3 所示。

圖3 PLC 控制器的結構程序示意圖

主備切換程序AB 相互交換信息，系統A 中的數據將會備份至B 站中，B 站隨時監(jiān)測A 站的運行情況，當A 站的CPU 出現問題時，此時B 站監(jiān)測到后立即接替A 站的工作，在A 站正常運行時，B 站處于準備狀態(tài)，隨著準備接替。其在工作中可以監(jiān)測的故障分別有冗余電源的損壞、數據通訊線連接問題、控制器癱瘓等，系統除了可以自動切換外還能夠實現人工自動切換，當進行A 站檢修時，可以手動切換，保證系統的正常運行。

系統的人機界面是人與系統交流的核心部件，設計將風機監(jiān)控系統布置兩個組態(tài)畫面，其中一個作為監(jiān)控組態(tài)畫面，另一個為觸摸屏的顯示界面，用于只展示系統的擴展網絡圖、設備的運輸狀態(tài)及風機運行的各種參數。人機界面設置有報警查詢界面，其不僅可以實現報警來源查詢，還可以查詢報警的時間，同時系統可以將振動報警、溫度報警及其他報警形式進行分別管理，報警查詢的原理機制圖如圖4 所示。

圖4 報警查詢的原理機制圖

由圖4 可以看出，系統具備報警數據庫，系統中采集的故障信息經過PLC 進行處理及識別后傳輸至組態(tài)王，組態(tài)王經過對報警信號的分析、分類后將數據進行存儲，存儲的信號可以在組態(tài)王上進行查詢及顯示。

2.3 應用效果分析

對優(yōu)化后的主通風機監(jiān)控系統進行應用后發(fā)現，監(jiān)控系統運行良好，報警查詢共計21 條，其中振動報警7 條，溫度報警6 條，其余報警共計8 條，系統在運行過程中較好地實現了系統自動切換任務，保證了系統運行的安全及可靠性，為礦井通風系統正常運行提供了強有力的保障。

3 結語

本文在原有通風機監(jiān)控系統基礎上，利用PLC 對通風機監(jiān)控系統進行優(yōu)化設計，首先對PLC 通風監(jiān)控系統的總體設計進行了一定的分析，結合實際的需求對監(jiān)控系統的軟件、硬件進行分別設計，設計完成后對優(yōu)化后的通風機監(jiān)控系統進行應用效果分析，驗證了優(yōu)化的可行性，為礦井通風系統的正常運行提供保障。