基于PLC 控制的礦井主通風機監控系統設計

王 磊

（山西焦煤西山煤電東曲煤礦，山西 古交 030200）

引言

礦井通風系統主要通過通風設備將地面新鮮空氣沿設計路線、按照設計風量源源不斷輸送至礦井內各用風區域，同時將井下乏風抽排至地面，以便將井下有害氣體濃度稀釋至煤礦安全操作規程允許范圍內，為井下設備運行及安全生產提供必要條件。礦井通風系統主要包括主副通風機、風井、風門等部分，其中，主通風機是礦井通風系統的核心機械，也是風機監測系統重要的監測對象。應用先進的自動化系統既能實現對礦井主通風機的遠程監控，又能集中監測通風系統運行工況，測報并處理運行故障，是保證煤礦通風安全的根本途徑。

1 系統整體結構

1.1 結構構成

本研究所設計的基于PLC 控制器的礦井主通風機自動化監控系統主要采用先進的MCGS 組態軟件和S7-300 型PLC 控制器，可實現對煤礦主通風機運行過程中溫度、壓力、風量等變量的實時監測，并基于所收集到的監測數據在線繪制風量-電流、功率-風量、壓力等效能曲線[1]，體現主通風機實際運行工況。同時還具有系統故障預警、報表統計處理等輔助功能，其與調度中心主控站的連接通過工業以太網實現。監控系統內主通風機均按照一主一備兩套設備的冗余結構設計[2]，當主設備出現運行故障，則備用設備立即投入運行。每臺風機均配備兩臺電壓10 kV 的高壓異步電動機，每臺電動機在出廠前均裝配三相定子及溫度傳感器；為調節風量及倒換風機，各風機風道內均應設置一扇地面風道閘門。每道閘門均由1 臺功率11 kW 的三相交流電動機拖動，旋轉風門則通過功率40 kW 的交流電動機拖動；為確保礦井主通風機附屬設施的可靠運行，還應增設2 臺總功率50 kVA的干式變壓器綜保裝置。

系統總體結構構成情況詳見圖1，S7-300 型PLC控制器為系統的核心，并設置有4 組SM321 直流輸入模塊、1 組SM322 直流輸出模塊、4 組SM321 通道模擬量輸入模塊、1 組SM332 通道模擬量輸出模塊；所采集到的主通風機系統運行參數主要通過各種傳感器傳輸至CPU 運算、處理。主通風機系統和高壓開關柜綜合保護裝置之間通過RS485 連接，便于綜保裝置開關量信息和開關柜模擬量信息等的實時讀取，采集并輸出電網電壓、運行電流、功率等參數。

圖1 基于PLC 控制器的礦井主通風機自動化監控系統總體結構

全部PLC 狀態、模擬量信息及控制點信息均通過PROFIBUS 接口輸入交換機，分配后再進入工業以太網，通過TCP/IP 協議高速光纖傳輸至調度中心主站。在煤礦中央控制室內設置遠程監控中心，并借助TCP/IP 協議通過煤礦全局光纖網將現場測控部分接入中央控制室，以便對主通風機監控系統實行集中管理。

1.2 參數監測

1）溫度監測：主通風機電機定子溫度及三相繞組溫度均通過風機內部測量電阻獲取，流體溫度則由JWB 防爆一體化溫度變送器測量取得，輸出信號5～20 mA，且均通過屏蔽雙絞線傳輸至多路溫度巡測儀，該儀器主要運行于0～50 ℃且相對濕度90%以下的環境中，精度可達到0.2～0.5 級。

2）風機啟停監測：煤礦礦井交流驅動機電設備運行狀態主要由SG4KGT9 開停傳感器監測，將所收集到的設備運行狀態信號轉換后傳輸至PLC，該傳感器主要應用新型抗干擾設計，安裝方便、能耗低、性能穩定。

3）振動參數監測：通常情況下，振動測試不包括在主通風機投運前的特性測試中，但包括在性能在線監測中。TMS-HZD 一體化振動變送器集成了振動傳感器和精密測量電路，可與PLC 系統連接并安裝在旋轉裝置軸承蓋上，實現對振速或振幅的高精度測量。

4）壓力監測：測點通常設置在風機入口處，并通過壓力傳感器將所得到的壓力信號成功轉換為5～20 mA 的標準電信號。

5）電氣參數：煤礦主通風機高壓開關為綜保裝置，可實現其配套電機負載、空載電壓、電流、功率及電網電壓、電流、功率等參數的采集及線路保護。

2 軟件設計

基于PLC 控制的礦井主通風機監控系統軟件主要由集中管理和分散控制兩個部分構成，前者主要采用MCGS 監控系統軟件，后者則采用STEP-7 編程控制軟件。MCGS 監控系統包括MCGS 組態環境和MCGS 運行環境兩部分，組態環境工具軟件可為用戶設計實際應用系統，運行環境則相對獨立完成組態設計目標功能。MCGS 監控系統具有實時顯示通風機運行狀態、實時繪制曲線、實時報警、查詢數據報表、故障倒機等多項功能。

1）實時顯示通風機運行狀態。MCGS 監控系統可以進行每臺通風機累計運行時間、入風口負壓、風筒流量、風門及檢修門工作狀態、制動器及釋放限位開關運行狀態、液壓泵站油箱實時溫度及油位、軸承溫度和繞組溫度、風機葉片開度、液壓站加熱器等電機運行工況的實時顯示，以反映通風機實際運行性能狀態。

2）曲線繪制。特性曲線體現的是風機風筒過氣流量和比功之間的對應關系，坐標原點為風機目前工況點，所在區域即體現風機效率值；氣體流量主要與風機入風口負壓傳感器和溫度傳感器以及入風口和輪轂間差壓傳感器測量值有關。功率-風量曲線是風機風筒所流經的氣體流量與電機軸功率關系的體現，電機軸功率為電機有功功率和傳動損耗系數之乘積[3]。

3）實時報警。在本研究所設計的基于PLC 控制器的礦井主通風機自動化監控系統運行過程中，若通風機軸承溫度、喘振裕度、定子溫度等超出所設置的上限或開關量運行狀態異常，則屏幕上報警畫面將自動彈出，信號顏色也由綠變紅，報警燈持續出現聲、光報警信號。

4）查詢數據報表。系統運行當前時刻的實時數據可直接按照設定的報告格式顯示并打印；歷史數據需要從數據庫內提取后按設計格式顯示并打印。

5）故障倒機。通風機在運行過程中如果發生故障，系統便自動倒換至另一臺通風機。這一過程中主要以界面預先設定的操作步驟為依據，在PLC 系統的控制下自動檢測需要倒換通風機的各項性能，待全部性能均滿足運行要求后按照設計步驟逐步實現倒機。

3 系統應用效果

本研究所設計的基于PLC 控制的礦井主通風機監控系統應用后，溫濕度及有害氣體濃度傳感器和上位機分別與PLC 連接，PLC 與設備控制變頻器連接。工作人員可通過組態王上所顯示的監控圖觀察、了解并記錄礦井內主通風機通風量及風速等實時變化過程；在運行調試過程中，通過人為調高系統溫度傳感器四周溫度或增大礦井內有害氣體濃度，則溫度傳感器立即感應到高溫或有毒氣體信號，并將該信號實時輸入PLC，PLC 系統便通過比較值法準確判斷出高溫或有毒氣體所在區域，并同時在上位機上通過高溫或有毒氣體預警燈顯示出來，此后，系統會自動啟動大風量模式，通過加快風速使礦井內局部溫度快速降低、有害氣體快速消散。與此同時，再通過人為方式調低溫度傳感器周圍溫度，則由溫度感應器所感應到的低溫信號同樣實時傳輸至PLC，PLC 系統將信號反饋至上位機，由上位機發出預警。總之，無論礦井溫度處于高溫還是低溫狀態，均可以通過PLC 控制的主通風機監控系統調節供風量及風速，達到系統所設定的礦井安全水平，取得較好的控制效果。

4 結語

煤礦主通風機運行工況對礦井安全生產作用重大，對主通風機進行實時監控也十分必要。本研究所設計的基于PLC 控制器的礦井主通風機自動化監控系統以S7-300 型PLC控制器為監控核心，選用性能優良的傳感器、變流器等檢測裝置，實現對主通風機和配套設備運行狀態的實時監測以及煤礦礦井正常通風和反風控制，使主通風機監控自動化水平大大提高，也為煤礦礦井設備管理、運行維護提供了可靠依據。