煤矿主通风机控制系统PLC改造

佟智勇

（龙煤股份鹤岗分公司机电装备部，黑龙江鹤岗154100）

0 引言

煤矿主通风机的作用就是把地面新鲜空气送入井下，供井下工人呼吸，同时把有害气体从井下排出，保证井下工人拥有良好的工作环境。因此，在现代化矿井中称主通风机为“矿井之肺”。根据《煤矿安全规程》要求，当运行风机发生故障时，10 min内必须启动备用风机以保证井下矿工的生命和生产安全。龙煤股份鹤岗分公司新陆煤矿现用主扇风机为BDK-8-N02.8型，电控系统为黑龙江省阿城继电器股份有限公司生产的GG-10-112型高压开关柜，电控部分为继电器控制系统，2005年安装投用至今，现电器设备出现老化现象，主通风机电控系统因为使用大量的继电器，触点较多，造成容易发生故障的点很多，且发生故障后不能及时发现。一旦发生故障，处理上需要参照电气控制图纸进行查找、判断，费时费力，不能保证快速处理；同时因为控制回路使用220 V直流电源，对控制电源的要求比较高，一些老式直流继电器已经不再生产，一旦损坏，没有部件进行更换，对主扇的安全运行造成很大影响。

针对上述问题，为确保矿井主通风机安全运行，需对电控系统进行改造。经多次方案论证，综合比较，确定使用PLC（可编程序控制器）控制系统对主扇控制系统进行改造。

1 使用PLC对主扇控制系统进行改造的优点

1）使用PLC进行主扇控制系统改造，可以在保证使用安全的情况下简化控制线路。因为原有的控制系统有相当一部分线路和设备是为了实现各种状态显示和故障显示而使用的，采用PLC控制后可以节省大量的指示灯和仪表显示及线路，发生故障时容易查找。

2）增加故障判断及系统状态显示功能，可以对系统中的开关、设备及触点状态进行实时监控并在上位机画面显示出来，通过对输入PLC各种模拟量和数字量的采集和处理以及在程序中进行逻辑判断和数据处理，及时发现设备存在的故障并输出报警信息，提醒维修人员进行处理，对司机的操作过程进行监视以及时发现操作中存在的错误，保证风机的运行安全。

3）使用高速计数模块和编码器对主通风机风门进行控制，直接控制风门上提和下放行程，使之控制更加精确。设备控制和显示可以使用西门子MP277（8inch触摸屏），该触摸屏适用于工业控制现场，具有抗冲击振动、抗干扰能力强、设备寿命长、显示画面分辨率高等优点。

4）PLC具有通讯功能，可以与计算机直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，实现信息的交换，满足实现远程监控或与其他控制设备通信的要求。

2 PLC改造的硬件设备选型

根据矿井主通风机控制要求，采用西门子S7-300系统。该PLC控制器为中型机，采用模块式结构，各种单独模块之间可以根据需要进行广泛组合和扩展，模块的输入输出端口均采用光电隔离和滤波。具体结构如下：1）电源模块使用PS307；2）中央处理器单元模块采用CPU314，适用于要求高速处理和中等I/O规模的任务，最大可扩展512点数字量I/O或64路模拟通道；3）数字量输入模块SM321，将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300的内部信号电平。选用直流16点输入型，使用2块，共32个输入点；4）模拟量输入模块使用SM331，模块各个通道可以分别使用电流或电压输入，采用8AI×12位模块2块，共16个输入通道；5）数字量输出使用SM322，选用16点继电器输出型，使用2块，共32个输出点；6）模拟量输出使用SM332型，模块用于将CPU送给它的数字信号转换为成比例的电流或电压信号，对执行机构进行调节或控制。采用4AO×12位模块1块；7）高速计数模块使用FM350，如果使用编码器对风门的运动状态进行监视，可以采用该模块对编码器的脉冲进行计数采集，计算转换成风门的位移值，实现对风门位置的精准控制。

3 需要采集和输出的数字量和模拟量

1）PLC需要采集的模拟量（AI）包括高低压电源的电压、电流模拟量信号，可以采用电流电压转换板将其转换为0～5 V电压信号或4～20 mA电流信号后输入PLC的AI模块，在PLC内部转换为0～27 468之间的数字信号，这样在程序中就可以对其进行监视、比较、处理，逻辑判断，从而对风机启动及运行时的电流电压进行程序比较，及时发现电源欠压或过压故障以及电动机启动和运行时过电流等故障问题，输出报警或输出跳闸信号，防止事故的扩大，还可以将电流电压数值实时的在画面上进行显示。

2）PLC需要采集的数字量（DI）包括：电动机启动柜真空接触器开关状态，高开柜的各个隔离开关的位置状态，电动机保护仪保护输出报警或跳闸信号，风门限位开关的状态，风机启动开关状态值以及原设备需要保留的一些开关量状态值。在程序中通过对各个开关量的采集、逻辑比较和判断可以检测设备状态是否正常，在倒机操作时还可以对司机的操作过程进行监视，及时发现操作错误并报警。

3）PLC需要输出的开关量（DO）包括：一些原有由继电器控制的指示灯指示，报警信息的输出，风机启动控制输出信号，以及显示画面需要的开关量输出等。开关量的DI/DO输入输出均使用欧姆龙24 V继电器进行隔离转换，防止干扰信号对PLC的影响，欧姆龙继电器经过在PLC控制系统的长期运行，证明其可靠性非常高。

4 改造方案的技术难点

1）PLC控制系统与老系统设备的对接融合问题，包括PLC控制需要接入的DI/DO，AI/AO的信号的采集和输出控制信号的执行，由于老系统零部件控制电压均为直流220V，采集输入和输出控制需要通过继电器或选择设计合适的电流电压转换电路进行转换。

2）PLC控制系统和触摸屏控制程序的编制，因为主扇运行要求有很高的安全性、可靠性，控制程序的设计对系统的稳定安全运行起到至关重要的作用，必须充分考虑系统运行可能出现的任何问题、现象，并针对性地进行判断、解决。触摸屏画面设计也要考虑充分，尽可能全面显示出系统的各种信息（包括每一个触点的状态信息），保证主扇司机通过画面显示对系统的运行状态、故障信息及时全面地了解。

5 结语

新陆煤矿主通风机控制系统改造后，系统运行平稳，故障率低，可以实时监测主扇运转状态，确保了主通风机安全运行，达到了预期效果。