基于PLC 的通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在花山煤礦的應(yīng)用

胡 峰

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400039

主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是保障通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵，其自動(dòng)化水平具有重要意義。花山煤礦通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在人工手動(dòng)操作、人為判斷故障、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了 AB1756 系列 PLC 為控制核心的通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。該系統(tǒng)不僅提供報(bào)警記錄、運(yùn)行記錄、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)表查詢(xún)、視頻圖像等功能，而且能夠在花山煤礦現(xiàn)有設(shè)備條件下實(shí)現(xiàn)一鍵全自動(dòng)倒機(jī)和反風(fēng)操作，為煤礦安全生產(chǎn)提供了有力的保障。

1 主要受控設(shè)備

花山煤礦通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要受控設(shè)備為：①2 臺(tái)煤礦防爆壓入式對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)；② 2 臺(tái)風(fēng)門(mén)絞車(chē)；③2 臺(tái)電力變頻器，變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)的兩級(jí)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行一拖二變頻控制；④ 6 臺(tái)高壓開(kāi)關(guān)柜及 3 臺(tái)備用開(kāi)關(guān)柜；⑤ 2 臺(tái)低壓開(kāi)關(guān)柜。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的高壓供電和低壓供電均采用雙回路供電方式，同時(shí)系統(tǒng)采用變頻控制。通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of monitoring system for ventilator

為保證通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控的可靠性，系統(tǒng)采用硬件冗余架構(gòu)，由 2 臺(tái)互為硬件冗余的 PLC 同時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，確保系統(tǒng)的可靠性、安全性。系統(tǒng)的工程師站由 2 臺(tái)工控機(jī)組成，互為備用，由 1 臺(tái) UPS 統(tǒng)一供電。系統(tǒng)的傳輸層依靠礦方已建成的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，通過(guò)該環(huán)網(wǎng)保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒎€(wěn)定性。現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層主要由高壓開(kāi)關(guān)、低壓開(kāi)關(guān)、電力變頻器、PLC 控制柜、風(fēng)門(mén)絞車(chē)控制箱、溫度巡檢儀、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、開(kāi)停傳感器和電量模塊等組成。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 硬件組態(tài)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)采用 AB 1756 PLC 為控制核心，硬件組成包括 1 個(gè) CPU 電源模塊、1 個(gè) 1756-L71 CPU 模塊、1個(gè) 1794-AENTR 雙網(wǎng)口以太網(wǎng)通信模塊、1 個(gè) 1756-EN2TR ENT 雙網(wǎng)口以太網(wǎng)通信模塊、2 個(gè) 1794-IB32/A DI 模塊、1 個(gè) 1794-OB32/A DO 模塊、1 個(gè)1794-OB16/A DO 模塊、2 個(gè)1794-IE12/A AI 模塊、1 個(gè) 1794-IE4*OE2/B AIAO 模塊。其中 1794-AENTR以太網(wǎng)通信模塊下面掛載了所有的 DI、DO、AI、AIAO 模塊。CPU 模塊通過(guò)以 1756-EN2TR ENT 太網(wǎng)通信模塊與 AENTR 以太網(wǎng)通信模塊連接，實(shí)現(xiàn)所有模塊與 CPU 模塊的通信。PLC 硬件組態(tài)如圖 2 所示。

圖2 PLC 硬件組態(tài)Fig.2 PLC hardware configuration

3.2 PLC 軟件流程設(shè)計(jì)

主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化程序采用模塊化的設(shè)計(jì)，分為信號(hào)循環(huán)檢測(cè)程序、一鍵啟動(dòng)程序、一鍵停止程序、一鍵倒機(jī)程序、一鍵反風(fēng)程序。PLC 控制流程如圖 3 所示。

圖3 PLC 控制流程Fig.3 PLC control flow

3.2.1 信號(hào)循環(huán)檢測(cè)

信號(hào)循環(huán)檢測(cè)程序主要檢測(cè)主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)門(mén)狀態(tài)、電動(dòng)機(jī)開(kāi)停狀態(tài)、絞車(chē)控制箱狀態(tài)、負(fù)壓傳感器值、差壓傳感器值、振動(dòng)傳感器值、風(fēng)門(mén)位置、風(fēng)門(mén)傾斜角度、低壓開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)。同時(shí)利用 485 通信循環(huán)讀取高壓開(kāi)關(guān)的狀態(tài)參數(shù)、變頻器的狀態(tài)參數(shù)、溫度巡檢儀采集到的通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)溫度值等狀態(tài)信息。

3.2.2 一鍵啟動(dòng)

一鍵啟動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)操作人員在遠(yuǎn)程控制模式下一鍵啟動(dòng)相應(yīng)通風(fēng)機(jī)設(shè)備。一鍵停止程序主要實(shí)現(xiàn)操作人員在遠(yuǎn)程控制模式下，一鍵停止相應(yīng)通風(fēng)機(jī)設(shè)備。

3.2.3 一鍵倒機(jī)

一鍵倒機(jī)控制程序是在高低壓供電開(kāi)關(guān)、風(fēng)機(jī)變頻器、風(fēng)門(mén)均正常的情況下，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的全自動(dòng)倒機(jī)。

首先，系統(tǒng)檢測(cè)高低開(kāi)關(guān)、變頻器是否正常，如果有故障，則報(bào)警終止流程。其次，系統(tǒng)進(jìn)入主通風(fēng)機(jī)變頻器降頻Ⅰ階段，主變頻器輸出頻率由 50 Hz 降至 10 Hz，此時(shí)主通風(fēng)機(jī)變頻器進(jìn)入降頻 Ⅱ 階段，與此同時(shí)，同步進(jìn)行主通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)關(guān)閉和備用通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)打開(kāi)操作。風(fēng)機(jī)在 10 Hz 條件時(shí)運(yùn)行，風(fēng)流對(duì)風(fēng)門(mén)的升降基本無(wú)影響。因此在 10 Hz 時(shí)，對(duì)主備用通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)進(jìn)行同步操作。該操作比原來(lái)所用時(shí)間節(jié)省了85 s。再次，主變頻器輸出頻率由10 Hz 降至 0 Hz，主通風(fēng)機(jī)變頻器停機(jī)，同時(shí)合閘備用通風(fēng)機(jī)變頻器高壓開(kāi)關(guān)。最后，系統(tǒng)檢測(cè)到各備通風(fēng)機(jī)高壓開(kāi)關(guān)合閘，風(fēng)門(mén)開(kāi)到位，同時(shí)主通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)關(guān)到位后，便啟動(dòng)備用通風(fēng)機(jī)變頻器，分閘主通風(fēng)機(jī)高壓開(kāi)關(guān)，待備用通風(fēng)機(jī)頻率由 0 Hz 上升至 50 Hz 時(shí)，整個(gè)倒機(jī)過(guò)程完成。倒機(jī)過(guò)程中發(fā)生任何故障，系統(tǒng)都會(huì)報(bào)警終止流程。

倒機(jī)時(shí)間

式中：Td為通風(fēng)機(jī)頻率由 50 Hz 降至 10 Hz 所用時(shí)間，s；Tm為通風(fēng)機(jī)主風(fēng)門(mén)關(guān)閉，同時(shí)備用通風(fēng)門(mén)打開(kāi)時(shí)間，s；Tu為通風(fēng)機(jī)頻率由 0 Hz 上升至 50 Hz 所用時(shí)間，s。

變頻器啟動(dòng)輸出頻率上升時(shí)間和變頻器停機(jī)輸出頻率下降時(shí)間均由變頻器廠家根據(jù)通風(fēng)機(jī)工況條件設(shè)定，為每 2.5 s 升頻或者降頻 1 Hz。

3.2.4 一鍵反風(fēng)

一鍵反風(fēng)控制程序是操作人員在遠(yuǎn)程控制模式下一鍵實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的全自動(dòng)反風(fēng)。

首先，檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的變頻器；其次，變頻器輸出頻率由 50 Hz 降至 0 Hz；最后，系統(tǒng)打開(kāi)變頻器反向運(yùn)行模式，同時(shí)啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)變頻器，待通風(fēng)機(jī)頻率由 0 Hz 上升至 50 Hz 時(shí)，整個(gè)反風(fēng)過(guò)程完成。反風(fēng)過(guò)程中發(fā)生任何故障，系統(tǒng)都會(huì)報(bào)警終止流程。

反風(fēng)時(shí)間

式中：Td1為通風(fēng)機(jī)頻率由 50 Hz 降至 0 Hz 所用時(shí)間，s；Tu1為通風(fēng)機(jī)頻率由 0 Hz 上升至 50 Hz 所用時(shí)間，s。

3.3 風(fēng)量計(jì)算模塊設(shè)計(jì)

3.3.1 理論計(jì)算

根據(jù)花山煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況系統(tǒng)采用靜壓差法對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)速計(jì)算。通風(fēng)機(jī)靜壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖 4所示。

圖4 靜壓傳感器安裝位置Fig.4 Installation position of static pressure sensor

通風(fēng)機(jī)風(fēng)量

式中：k為能量損失系數(shù)，一般為 0.96～0.99；S1為集流器處的橫截面積，m2；S2為機(jī)體處的橫截面積，m2；p1為集流器處的靜壓，Pa；p2為機(jī)體處的靜壓，Pa；ρ為測(cè)量截面氣流密度，取ρ＝1.2 kg/m3。

假設(shè)通風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)處的橫截面積為S，則測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)速

3.3.2 軟件設(shè)計(jì)

風(fēng)量風(fēng)速程序模塊如圖 5 所示。Big_dim 為集流器處橫截面半徑；Small_dim 為機(jī)體處橫截面半徑；Core_dim 為機(jī)體處一級(jí)電動(dòng)機(jī)殼體半徑；ChaYa 為集流器處與機(jī)體處的壓力差。

圖5 風(fēng)量風(fēng)速程序模塊Fig.5 Wind volume and wind speed program module

4 工程師站

工程師站如圖 6 所示。工程師站采用 AB Factory Talk View 設(shè)計(jì)，畫(huà)面簡(jiǎn)潔美觀，圖表功能強(qiáng)大。通過(guò)工程師站，操作人員可以實(shí)時(shí)了解通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況，同時(shí)還能對(duì)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行一鍵倒機(jī)、一鍵反風(fēng)操作。工程師站直觀地展示了通風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、風(fēng)量、壓力、溫度、振動(dòng)、變頻器頻率、電動(dòng)機(jī)參數(shù)、風(fēng)門(mén)傾斜角度、風(fēng)門(mén)位置等關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，同時(shí)提供了實(shí)時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及報(bào)表查詢(xún)和現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像錄制等功能。

圖6 工程師站Fig.6 Engineer station

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在花山煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有安全可靠、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等特點(diǎn)。該系統(tǒng)可直觀地展示通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)、報(bào)警狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、圖像信息，為系統(tǒng)正常啟停、一鍵倒機(jī)、一鍵反風(fēng)提供有力的操作依據(jù)和判斷依據(jù)。該系統(tǒng)的一鍵倒機(jī)程序和一鍵反風(fēng)程序?qū)F(xiàn)有條件下的通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)倒機(jī)和反風(fēng)時(shí)間控制在 5 min 以?xún)?nèi)，不僅大大提升了倒機(jī)和反風(fēng)效率，而且為故障狀態(tài)下人為干預(yù)操作提供了充足的時(shí)間，滿(mǎn)足了煤礦安全規(guī)程規(guī)定的 10 min 內(nèi)完成主通風(fēng)機(jī)倒機(jī)和反風(fēng)的要求。