基于 PLC 的壓風(fēng)機(jī)階梯式控制策略在花山煤礦的應(yīng)用

胡 峰，薛彥波

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400039

花 山煤礦壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，系統(tǒng)不能變頻節(jié)能控制，卸載運(yùn)行期間產(chǎn)生了不必要的能耗。為幫助礦方節(jié)約成本，筆者在壓風(fēng)機(jī)控制程序設(shè)計(jì)方面運(yùn)用了一種新的階梯式控制策略，通過對(duì)壓風(fēng)機(jī)控制程序的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的階梯式控制，達(dá)到了減少設(shè)備空載運(yùn)行能量損耗和降低設(shè)備啟停機(jī)頻率的目的，實(shí)現(xiàn)了花山煤礦壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化控制。

1 系統(tǒng)主要受控設(shè)備及采集信號(hào)

壓風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的主要受控設(shè)備包括：3 臺(tái)具備標(biāo)準(zhǔn) Modbus 接口的螺桿空氣壓風(fēng)機(jī)、2 臺(tái)儲(chǔ)氣罐 (排氣罐) 排污閥、3 臺(tái)壓風(fēng)機(jī)排氣閥。其中壓風(fēng)機(jī)品牌為復(fù)盛牌，冷卻方式為風(fēng)冷，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率為315 kW，最大排氣壓力為 0.85 MPa。花山煤礦要求的壓風(fēng)機(jī)排氣壓力控制指標(biāo)為 0.60～0.80 MPa。

壓風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的主要采集信號(hào)：3 臺(tái)壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行信號(hào)、3 臺(tái)排氣閥門的開關(guān)到位信號(hào)、2 臺(tái)排污閥的開關(guān)到位信號(hào)、3 臺(tái)壓風(fēng)機(jī)的排氣壓力信號(hào)、壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)總管壓力和溫度信號(hào)、2 臺(tái)儲(chǔ)氣罐溫度信號(hào)和 3 臺(tái)煙霧傳感器信號(hào)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該壓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)借助于礦方的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸平臺(tái)，建立了后臺(tái)數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層 3 層監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。其中后臺(tái)處理中心主要由工控電腦、工業(yè)組態(tài)軟件和打印設(shè)備組成；中間傳輸層為煤礦工業(yè)以太網(wǎng)；現(xiàn)場(chǎng)控制層主要由現(xiàn)場(chǎng)PLC 控制柜、壓風(fēng)機(jī)設(shè)備控制箱、溫度傳感器、壓力傳感器、煙霧傳感器和電動(dòng)球閥組成。壓風(fēng)機(jī)壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)如圖 1 所示。

3 PLC 集控設(shè)計(jì)

3.1 硬件組態(tài)設(shè)計(jì)

壓風(fēng)機(jī)硬件組態(tài)以西門子 300 系列 PLC為控制核心，如圖 2 所示。硬件組態(tài)中主機(jī)架包含西門子PS307 5 A 電源模塊 1 套、315-2 PN/DP CPU 模塊1 套、IM365 擴(kuò)展模塊 1 套、CP340-RS422/485 通信模塊 2 套、DI32*DC 24 V 數(shù)字量輸入模塊 2 套、DO32*DC 24 V/0.5 A 數(shù)字量輸出模塊 2 套。擴(kuò)展機(jī)架包含 IM365 擴(kuò)展模塊 1 套、AI8*13 bit 模擬量輸入模塊 3 套、CP340-RS422/485 通信模塊 1 套、AO8*12 bit 模擬量輸出模塊 1 套。

3.2 PLC 控制器軟件流程設(shè)計(jì)

壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的程序采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)程序設(shè)計(jì)分為信號(hào)檢測(cè)模塊、壓風(fēng)機(jī)半自動(dòng)控制模塊和壓風(fēng)機(jī)全自動(dòng)控制模塊。

信號(hào)檢測(cè)模塊的主要功能是在線監(jiān)測(cè)壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、閥門的開關(guān)狀態(tài)、壓風(fēng)機(jī)儲(chǔ)氣罐壓力及溫度、總管壓力及溫度、煙霧故障報(bào)警、壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和電量參數(shù)。

壓風(fēng)機(jī)半自動(dòng)控制模塊是操作人員在現(xiàn)場(chǎng)或者在遠(yuǎn)程控制模式下根據(jù)壓風(fēng)機(jī)故障報(bào)警、壓風(fēng)機(jī)總管壓力等情況一鍵啟動(dòng)或停止相應(yīng)壓風(fēng)機(jī)。壓風(fēng)機(jī)達(dá)到自身壓力高限 0.80 MPa 時(shí)，如果持續(xù)超過 1 min 就卸載運(yùn)行；壓風(fēng)機(jī)達(dá)到自身壓力低限 0.60 MPa，若持續(xù) 5 min 將加載運(yùn)行。

壓風(fēng)機(jī)全自動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要根據(jù)礦方的實(shí)際情況來具體設(shè)計(jì)。以攀煤公司花山的具體情況為例，該礦每臺(tái)壓風(fēng)機(jī)自身高限卸載壓力為 0.80 MPa，低限值開機(jī)壓力為 0.60 MPa，高限卸載壓力持續(xù)檢測(cè)時(shí)間為 1 min，低限開機(jī)持續(xù)檢測(cè)時(shí)間為 5 min。礦方要求井下供風(fēng)壓力保持在 0.60～0.80 MPa，并且要求減少設(shè)備卸載運(yùn)行時(shí)間，以降低能耗損失，同時(shí)需要防止壓風(fēng)機(jī)頻繁啟停。為了解決上述技術(shù)問題，筆者采用階梯式控制策略，將 PLC 程序中 1、2、3 號(hào)壓風(fēng)機(jī)的設(shè)定高限停機(jī)壓力值分別設(shè)為 0.80、0.78、0.76 MPa，低限啟機(jī)壓力值分別設(shè)為0.64、0.62、0.60 MPa，高限停機(jī)壓力持續(xù)檢測(cè)時(shí)間為20 s，低限開機(jī)持續(xù)檢測(cè)時(shí)間為 3 min。這樣可以規(guī)避壓風(fēng)機(jī)進(jìn)入卸載運(yùn)行模式，壓風(fēng)機(jī)會(huì)根據(jù) PLC 程序低限啟機(jī)壓力值自動(dòng)啟動(dòng)，高限停機(jī)壓力值自動(dòng)停止。PLC 控制流程如圖 3 所示。通過階梯式的控制方式使得壓風(fēng)機(jī)在沒有變頻器控制的條件下達(dá)到最佳節(jié)能與控制效果，同時(shí)多臺(tái)壓風(fēng)機(jī)可通過 PLC 程序修改高低限壓力值的方式改變?cè)O(shè)備啟停優(yōu)先級(jí)，并且可以自主選擇壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)投入數(shù)量。

3 臺(tái)壓風(fēng)機(jī)給井下供風(fēng)的初期，由于總管壓力很低，系統(tǒng)會(huì)同時(shí)啟動(dòng)，井下的供風(fēng)壓力將迅速增大，當(dāng)總管壓力達(dá)到 0.76 MPa 持續(xù) 1 min，3 號(hào)壓風(fēng)機(jī)將停止，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下情況。

(1) 井下用風(fēng)量增大，總管壓力持續(xù)下降，到0.60 MPa 以下持續(xù) 3 min，3 號(hào)壓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)補(bǔ)壓，總管壓力維持在 0.60 MPa 以上。

(2) 1、2 號(hào)壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行，總管壓力維持在 0.60～0.78 MPa，證明 1、2 號(hào)壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行剛好滿足井下用風(fēng)需求。

(3) 1、2 號(hào)壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行，總管壓力上升達(dá)到 0.78～ 0.80 MPa 持續(xù) 20 s，2 號(hào)壓風(fēng)機(jī)將停止。此時(shí)又可以出現(xiàn)以下幾種情況：①如果壓力維持在 0.62～0.80 MPa，說明此時(shí) 1 號(hào)壓風(fēng)機(jī)剛好滿足井下供風(fēng)需求；② 井下用風(fēng)量增大，總管壓力將降到 0.62 MPa 以下持續(xù) 3 min，再次開啟 2 號(hào)壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)補(bǔ)壓，如果總管壓力持續(xù)下降到 0.60 MPa 以下 3 min，系統(tǒng)將開啟3 號(hào)壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)補(bǔ)壓；③2 號(hào)壓風(fēng)機(jī)停止以后，總管壓力升高至 0.80 MPa 持續(xù)時(shí)間 20 s 后，1 號(hào)壓風(fēng)機(jī)將停機(jī)，防止系統(tǒng)進(jìn)入卸載運(yùn)行狀態(tài)，減少能量損耗；④ 當(dāng)總管壓力低于 0.64 MPa 持續(xù) 3 min，1 號(hào)壓風(fēng)機(jī)將自動(dòng)啟動(dòng)補(bǔ)壓，整個(gè)階梯式控制過程以此類推。

通過上述方式實(shí)現(xiàn)了老舊礦井在壓風(fēng)機(jī)無變頻器條件下的全自動(dòng)階梯控制，減少了壓風(fēng)機(jī)的空載運(yùn)行時(shí)間和頻繁啟停次數(shù)。同時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)總管壓力自動(dòng)決定投入壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，以滿足井下用風(fēng)需求，達(dá)到減員增效、優(yōu)化控制的效果，讓每臺(tái)壓風(fēng)機(jī)得到充分利用。

4 軟件設(shè)計(jì)

工程師站軟件界面如圖 4 所示。工程師站軟件采用亞控公司的 King SCADA 組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，整個(gè)軟件采用 C 語言腳本實(shí)現(xiàn)畫面的動(dòng)態(tài)展示。SCADA軟件具有強(qiáng)大的圖表展示功能、完善的報(bào)警服務(wù)功能并提供了豐富的函數(shù)和接口支持，易于開發(fā)。操作人員可以通過工程師站軟件，詳細(xì)直觀地了解每臺(tái)壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況與主要參數(shù)，同時(shí)可以在線查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、操作權(quán)限、操作記錄、運(yùn)行記錄等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)支持報(bào)表生成及打印功能。

5 結(jié)語

壓風(fēng)機(jī)階梯式控制策略通過在花山煤礦的實(shí)際應(yīng)用，使該礦壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在無變頻器條件下實(shí)現(xiàn)了無人值守全自動(dòng)、階梯式控制，更好地減少了壓風(fēng)機(jī)的空載運(yùn)行時(shí)間和頻繁啟停次數(shù)。同時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)總管壓力自動(dòng)決定投入壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行的具體臺(tái)數(shù)，使壓風(fēng)機(jī)的總管壓力維持在 0.60～0.80 MPa，滿足了設(shè)計(jì)要求和井下用風(fēng)需求。與原控制方式相比，控制策略大約節(jié)能 10%，達(dá)到了減員增效，優(yōu)化控制的效果。該控制策略可以廣泛地應(yīng)用于不具備變頻功能且需要節(jié)能降耗、減員增效的煤礦壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。