煤矿局扇风机智能控制系统设计

徐 杰

（阳煤二矿机电工区， 山西 阳泉 045000）

引言

煤矿通风系统中，局扇风机主要用于降低矿井工作面温度，为矿井提供新鲜空气、稀释、去除甲醛、除尘，是保证矿井生产安全稳定可靠运行的关键设备。在局部通风机中应用智控技术，可以有效提升通风系统运行效率，确保生产作业活动有序开展，降低能源消耗和设备维护费用，获得更高的调速精度[1]。

1 局风扇系统的构建浅析

矿井局扇风机系统采用2台相同功能的轴流风机，每台局扇风机由8极变频电机驱动，电机容量为450 kW电压是10 kV。该局扇风机还配有电机温度测量元件Pt100，轴承温度测量仪器，电机除湿加热器，阻尼器和开闭装置风门，通局扇风机参数（气流，负压等）测试仪表，带RS485接口。该系统可实现自动频率与手动频率之间的变频器输出；同时，系统可以监测局扇风机运行状态的实时数据。

1）温度参数：定子温度、轴前后轴的温度、风扇的温度。

2）电气参数：三相电压、电流、工频、有功、无功功率、功率因数。

3）风扇振动参数：水平和垂直振动参数。

4）风扇状态参数：油门位置和电机启停状态参数。

5）局扇风机参数：局扇风机静压、局扇风机总压力、风管气体和一氧化碳浓度、空气流量、环境温度和湿度等参数。

2 局扇风机自动监控系统的设计

局扇风机监控系统主要由两部分组成，分别用于自动调节风量和自动监测风扇的运行状态。系统硬件利用S7-300系列PLC的可靠性，并将其作为控制系统的核心，另一部分组成包括传感器、变送器、触摸屏、电参数采集模块（包括电压，电流变压器）、温度检测仪、电脑、报警器等，通过通讯接口与局扇风机参数测试仪，局扇风机变频设备，智能电源相互连接，监测、收集阻尼器和风扇的相关参数，上传数据到PC监控系统和调度中心，对空气、煤气、压力和温度等其他局扇风机参数进行连续监测，系统支持远程编程和远程诊断。使用控制器输出数据信号，变频器根据反馈数据，合理调节风量，保证规定范围内的矿井空气质量，提高局扇风机效率，从而节约成本资源。S7-300系列PLC是对局扇风机进行自动监控的系统核心，自动监控系统如图1所示[2]。

图1 局扇风机组自动监控系统示意图

3 局扇风机智控系统的硬件设计及参数检测

3.1 PLC模块的选择

该系统使用SIEMENSS7 300系列PLC，如图2所示，硬件包括电源模块，CPU314模块，2个数字量输出模块 SM322（DO16×DC24 V/0.5 A），4 个SM331模拟量输入模块（AI8×16位），3个数字量输入模块SM321（DI16×DC24 V）。系统可执行主要参数的检测：

1）风压检测。为了确保局扇风机的安全高效运行，需要检测风扇的速率、风压和流量。系统压力检测采用GPD5差压传感器和GP5000负压传感器。传感器将压力或流量转换为4～20 mA电流模拟量输入到模块 SM331，4～20 mA电流被转换为 0～27 648数字量数量由SM331发送给CPU。

图2 S7-300的硬件结构示意图

2）温度检测。电机温度和风扇轴温度的检测是电机温度的重要参数。矿井通局扇风机监控系统中，当温度过高时，会导致局扇风机不工作。温度传感器主要用于收集前后轴承温度，电机定子温度，该系统中的支撑轴承温度等。由于铂热的高量程和测量精度，该系统使用PT100铂热电阻温度传感器来收集系统的温度参数[3-4]。

3）振动强度检测。系统检测风扇轴承在水平方向和垂直方向的振动，将采用振动位移传感器与变送器的组合，轴承的前后安装电机振动传感器，电机轴承的振动强度为线性由模块SM331转换成4～20 mA电流信号，并将电流信号转换为数字信号数量（在0～27 648之间）由模块SM331发送给CPU。

4）电气参数的测量。电气参数是评估局扇风机性能和监测局扇风工作机性能的重要指标。电气参数可以了解风扇的当前运行状态和故障状态电机，有利于安全运行。系统的电气参数包括三个三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、工频、功率因数和其他参数。系统使用电力参数变送器来监视电力参数，采用RS485总线方式传输功率参数。

5）测量气体浓度。气体的主要成分是甲烷。气体浓度的测量选择风扇的出风口或矿井底部。为了精确控制浓度，在出风口和底部选择矿井瓦斯传感器进行检测甲烷浓度，传感器具有声光报警和显示功能，同时具有多路信号输出格式和报警显示功能，可与信号采集和监测相匹配煤矿系统[5]。

3.2 变频设备的设计

变频系统为一台驱动两台，及一台变频器控制两台局扇风机同时运行。系统控制风扇的运行速度，改善运行工况，通过逆变器达到节能效果。该系统使用专用发电机MM430变频器，MM430内置PID控制器，具有很高的灵活性和可靠性，逆变器具有完善的性能，包括过压保护、过温保护、短路保护等功能，输出功率大范围从7.5～250 kW，其中有一个集成的485通讯接口，变频装置还包括一个自动旁路柜。

4 局扇风机智控系统的软件设计

系统的软件设计主要有两部分：总控中心的软件设计和上位机软件设计，这两部分控制整个系统。

4.1 总控中心的软件设计

该系统使用STEP-7编程。PLC 程序部分包括主程序和控制程序。其中主程序包括系统初始化程序、电机启动、停止控制程序、故障诊断和报警、频率控制程序、模拟采集过程等功能。初始化部分包括各种预置参数的初始化值，检测硬件系统和电源，在确认过程准确后，启动控制系统，模拟采集程序已经收集了气体浓度、温度、空气压力、振动信号和转换功能。

4.2 上位机监控软件设计

本系统的PC监控软件采用西门子WinCC组态软件。组态软件是局扇风机与操作员工之间的互动界面。这是整个系统的监视与控制核心，用于安排和管理整个系统。监视器屏幕可以显示监视参数信息，报警和设备故障情况[6]。

5 结论

矿用变频局扇风机智控系统不仅可对风扇运行状态进行监测，而且可对风扇故障进行检测与诊断。该系统具有良好的交互性，可以在统一的平台上查询、显示和控制系统，保证局扇风机稳定运行。