PLC监控系统在对旋轴流风机上的应用研究

韵 凯

(西山煤电集团公司 机电处，山西 太原 030050)

·技术经验·

PLC监控系统在对旋轴流风机上的应用研究

韵 凯

(西山煤电集团公司 机电处，山西 太原 030050)

为了提高矿井主通风机的可靠性和安全性，对西山煤电西铭矿冀家沟风机房使用的2台对旋主通风机进行性能测试，并结合日常人工手动操作风机所发现的问题，利用电机内部自带的温度传感器，压力传感器、高开柜内选取电压、电流等信号，将风机蝶形风门远控点、高开柜遥控信号的接入，运用“PLC+工业以太网+IPC”的监控模式，对主通风系统监控和远程操作进行了改造，达到了煤矿主通风机的高效运行、在线监测、远程监控及操作，为矿井安全生产提供了重要保证。

对旋轴流风机；性能测试；PLC；监控系统；远程操作

煤矿生产主要是地下作业，自然条件比较复杂，只有少数井巷与地面相通。为保证安全生产，必须对矿井不断输入新鲜空气并排出污浊空气。主通风机也称为主扇，是煤矿非常重要的地面大型设备，它能够有效防止井下瓦斯的聚集，进一步降低瓦斯爆炸的可能性，为确保矿井安全生产提供保障。我国煤矿安全规程规定，当主通风机突然停机时，必须保证在10 min内恢复向矿井供风，因此，对主扇风机主要性能参数的实时掌控和调整是非常必要的。西山煤电集团公司西铭矿冀家沟主通风机一直使用传统的通风控制系统，即简单继电器+接触器的控制系统，并人为对现场设备的电流表、电压表、负压计、流量计等监测表/计进行巡查监督记录，对现场的阀门和开关设备等进行手动操作。发现通风控制系统出现问题进行处理或正常倒机操作时，往往存在程序繁琐，操作过程时间长，容易出现误操作等问题，最终造成井下瓦斯超限的安全隐患。所以，必须对旧的风机监控和操作系统进行改造。

1 PLC监控系统的原理结构及特点

1.1 煤矿用对旋轴流风机的工作特性曲线

轴流式通风机的实际工作特性可以用3条曲线来表示[1]，分别是风压特性曲线、功率特性曲线和效率曲线，见图1.

图1 轴流式通风机特性曲线图

由图1风压特性曲线可以看出，主扇风机的风量呈减小趋势，而全压值在曲线图上所表现出来的是先增加再减小又增加的形态。造成了小流通风量区域通风机的特性曲线出现了驼峰形状，因此，主扇通风机在实际运行中不建议在此区域工作。

由图1功率特性曲线可以看出，主扇风机电机轴的功率在主风机不带任何负载时达到了最大，随着风门慢慢开启，风量慢慢的增加，主扇轴功率逐渐减小。因此，为了保护电机，避免电机启动过载保护动作，主通风机启动时阀门必须全部开启。

西铭矿冀家沟风机房使用的是北京燕京风机厂生产的FBCDZ-8-№28 (2×355 kW)轴流风机，通过对主通风机进风量截面的控制，达到调节风量的目的。根据上述3条轴流风机特性曲线的特点，按照不同风量测量下的风压、功率等参数采取给定工作频率的不同，或者调整了风叶叶片角度等方法，使用PLC监控系统来调节主扇的风量，保证主扇的高效经济运行。

1.2 PLC监控系统对主通风机的数据监控

主通风机运行的主要参数监测主要有以下几点：

1) 风机参数：负压、静压、流量、效率、轴承温度、轴承振动。

2) 通风机电参数测量内容包括：电流、电压、功率、功率因数及电度。通过对这些电参数的监测，可以确定通风机的输入功率、输出功率、风机的效率，同时，也可以了解通风机当前的运行状态，有利于发现电动机的故障。

3) 开关量状态：馈出口柜状态、进线柜的状态、联络柜状态、电机是否运行、电机处于正转还是反转、风机是否运行、蝶阀以及风门是开启还是关闭，有无故障报警。

主通风机在线监控系统就是通过安装在风机各处的传感器，获得风机运行的实时参数，在上位机中对数据进行直观的观察分析，判断风机运行是否正常，是否存在故障隐患，保证风机的正常运行。

由于施工企业的项目有着分布广的特性，为此持续的财务监督是必不可少的。通过将综合检查和专项检查相结合，自查和互查相结合，从而形成全方位覆盖的监督监察网，保证施工企业工程项目部的财务管理有效性、防止成本失控与效益的流失。要将检查作为日常检查制度，实行业务考核制度，有效提高制度的执行力，提高员工的工作积极性。

1.3 主通风机在线监测所采用的组成结构方式

冀家沟主扇在线监测运用的是西门子公司PLC+工业以太网+工业个人计算机(IPC)的监控模式，从风机和蝶阀等现场设备采集的数据与PLC之间是采用过程现场总线的通信方式，工程师控制站与PLC之间应用点对点的多点通信方式，上层网络和上位机之间采用色散管理与相位共轭技术的通信方式(图2).在线监测改造使用的是西门子公司S7-300系列的PLC，将这一系列的PLC用作下位机，上位机使用工控机，在监控室安装控制柜，并且将信号采集设备和控制输出设备放于控制柜内，能够实现信号的数据采集与实时监测，数据的记录及分析，风机的故障报警、远程控制，数据的远程传送、诊断。

图2 轴流风机监控系统网络拓扑结构示意图

2 新在线监测监控系统的硬件组成

冀家沟风机房的在线监测控制系统按照功能模块化思路设计，主要由AI模块、DI模块、DO模块，上位工控机数据监控，风机数值采集、控制PLC模块、网络远程数据控制模块等组成(图3).

图3 主扇控制系统功能结构框图

2.1 传感器与执行机构

风机就地各个信号的测量是通过多种类型的传感器经变送器转换信号后实现。其中电机运行参数是重点[2]，根据通风机的特点与现场的具体要求，冀家沟主通风机采用的是佳木斯电机厂生产的电机，电机内部包含6组定子、2组前轴、2组后轴温度传感器。振动信号通过安装在风机电机风筒里的振动传感器把振动速度信号转换成电压信号；压力信号则是通过引压装置采集局部环节差压信号。

2.2 PLC的选型

根据冀家沟主扇通风机的工作特点，经过分析可知，其完整的控制过程需要可控变化量90个左右，系统的CPU类型选择紧凑型-CPU 314，考虑到系统余量，参照西门子公司PLC(S7-300)系列手册，对AI模块、DI模块、DO模块、PS307、IM361、IM360、远程网路通信模块进行选型[3].

3 在线监测系统软件设计

3.1 下位机的组态

按照冀家沟主风机的监控要求，安装PLC控制程序软件并建立程序块，其主要包含5个FC功能块，3个数据块，1个组织块OB1，1个模拟量输出模块FC106，1个输入模块FC105. 在各程序块内进行编程(图4).OB1循环组织块是程序主体，主要程序都编写在OB1中，此外主程序块还可以调用其它各种功能或功能块，从而实现整个系统的控制。

图4 1#风机电机启动柜工作启动程序示意图

3.2 上位机的组态

西铭矿冀家沟主扇风机在线监测系统使用的是北京昆仑泰通自动化软件公司的监视与通用控制系统组态软件，可以快速构造和生成监控系统所需界面，可视性好，维护性强，最终实现对风机的各项控制功能。

系统监控主界面见图5，主通风机后台电脑监控画面主要有2台风机的关键部位测点的实时数据，风机运行的状态反馈，风门蝶阀的关启反馈，开关量状态，系统集中控制中心，报警画面及历史记录，还可以实现数据报表的输出打印。

图5 系统监控主界面图

4 新监控系统的投运

4.1 改造后发现的问题及处理

将冀家沟主通风机监控系统进行改造后，收到了预期的效果，但是在运行了一段时间后发现仍存在一些问题。

1) 风筒风压的远传数值和通过水银柱实地测量得到的结果有一些偏差，并且数据很不稳定。初步判断是变送器故障，检测后排除；经过推敲，最终确定是通讯线路的问题。经分析由于冀家沟风机房风机与后台监控室之间有一段较长的距离，在风筒上取风压信号后，通过1条单独的通讯信号线经过架空杆、电缆沟等很长距离后接入监控室，并且没有较好地进行电缆防干扰屏蔽，这些因素造成了信号的不稳定及不准确。措施使用大功率信号变送器，增强信号的输出；优化信号走线布置，缩短线缆长度；与动力电缆同线槽布置时保持规定距离，防止干扰，最终该问题得以解决。

2) 为了监控风机电机及叶片等转动设备造成的振动，在风筒上安装了X轴和Y轴方向的振动监测探头。风机运行后发现：电机及叶片结合部位肉眼观测有明显振动，而探头显示振动值几乎为零，起不到监控作用。措施：经分析由于原厂风机出厂时并未预设振动监测位，而振动探头的安装位置直接决定着数据的准确性，根据厂家提供的意见把探头通过焊接支架直接安装在风筒外壁上，振动传导到这里已经非常微弱，体现不出关键部位的振动情况，后来根据风机风筒结构及长期观察振动较大部位，最终确定了振动探头在风筒内部风机电机支架底部的安装位置，现已长期运行，数值显示精准。

4.2 改造后的使用效果

冀家沟主通风机新监控系统改造以后，经过长时间的运行观察，系统运行非常平稳，PLC动作正常，后台操作界面显示友好，各系统通信较为畅通，主通风机的所有关键测点和参数都能够在后台机上直接查看，报警提示非常醒目及时，风门及电机的操作也全部从后台电脑进行。经过实测，在模拟事故状态下的倒机操作只需要3 min就能全部完成，降低了运行人员的劳动强度，提高了设备的可靠性。

5 结 语

利用“PLC+工业以太网+ IPC”技术对冀家沟风机房监控操作系统进行改造，提高了设备的可靠性，降低了劳动强度，提高了安全系数，确保了井下工人的生命安全，提高了企业的生产效率和经济效益，值得推广。

[1] 张 俊，姚金林．GAF型矿用轴流式主要通风机现场性能测试[J]．煤矿科学技术，2005(3)：22-25.

[2] 崔 鑫，李继勇．PLC在煤矿主通风机自动控制系统的应用[J]．煤矿机械，2004(4)：25-28.

[3] 王啸东.PLC控制系统设计方法解析[J].自动化与仪器仪表，2011(1)：43-48．

Application of PLC Monitoring System in Counter-rotating Axial Fan

YUN Kai

For the improvement of the reliability and safety in main ventilation fan, the performance of the two main fans in Ximing coal mine( which is under xishan coal and electricity group) is measured and analyzed. Combined with the already known problems during daily manual operation. Data from the temperature sensor and pressure sensor inside the motor are collected, voltage and current signals from high voltage switch cabinet also being introduced, the butterfly shaped air-door remote signal and remote operation signal from high voltage cabinet adopted, together with the PLC+Industrial Ethernet+IPC Monitoring mode, the monitoring and remote operation system are totally upgraded, so to achieve the on-line monitoring, remote monitoring and operation, efficiency increased and safety production guaranteed.

Counter-rotating axial fan; Performance test; PLC; Monitoring system; Remote operation

2016-11-21

韵 凯(1982—)，男，山西清徐人，2005年毕业于徐州矿院，助理工程师，主要从事矿山机电技术及管理工作

(E-mail)864800523@qq.com

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1672-0652(2017)01-0017-03