基于可编程序控制器的煤矿主扇监控系统设计

2019-01-16朱会东田力勇

装备机械 2018年4期

□ 朱会东□ 田力勇

1.阜新高等专科学校辽宁阜新 123000

2.辽宁工程技术大学机械工程学院辽宁阜新 123000

1 设计背景

煤矿主扇风机用于向井下输送空气，及时排出粉尘，以保障矿井生产安全和矿工生命安全。由于矿井井下环境条件恶劣，主扇风机一旦发生故障，将会给矿区生产安全带来重大损害，因此建立一套功能完善的风机自动监控系统十分有必要[1-2]。针对当前监控系统存在的系统过于简单、部分关键参数监测精度较低、监测内容不全面、未与调度中心信息系统集成等问题，基于S7-200系列可编程序控制器（PLC）设计了一种安全可靠、操作方便的煤矿主扇监控系统[3-4]。

2 煤矿通风系统构成

煤矿通风系统如图1所示，主扇由两组对旋式轴流通风机组成，其中一组为工作机，另一组为备用机[5]。每组通风机采用两台电机实现拖动，并分别安置在两个独立的风道中，最终汇入主风道。在每组风机入口处设有闸门，以便于进行调节风量及调换风机等操作。在两个风道的出口处均配置了静压传感器和差压传感器，用于测量并采集风机运转时的负压和流量等参数。

图1 煤矿通风系统

主扇的通风量一般可分为一级和二级两个级别。当风量为一级时，一台电机运行。当风量为二级时，两台电机同时运行。风机正常运行时的通风方式为抽出式通风，这种通风方式可以起到抑制瓦斯的作用[6]。主通风机还可以通过改变电机转向来实现反风控制。

3 煤矿主扇监控系统控制方案

3.1 控制要求

煤矿主扇监控系统中，控制部分可以分为矿井主通风机控制和风机各种参数测量。系统主要由上位机、PLC、变频器和各种传感器构成。PLC主要用于实现各个参数的采集和对风机运行状态的控制。上位机主要实现储存、实时显示数据，以及打印等功能。为了矿井生产的安全可靠进行，管理人员要及时掌握矿井通风机的各种信息，实时采集风机运行的参数。如果有异常情况，可以进行实时报警。

3.2 系统原理

煤矿主扇监控系统的原理如图2所示。上位机采用工业控制计算机，配有打印机及不间断电源，监控软件采集现场实时数据，并具有、显示、存储、打印、报警、生成实时及历史曲线、网络通信等功能，对矿井通风机进行远程监控。下位机采用PLC，主要负责采集各项分级参数的监测数据，控制数据的输入和输出，实现对风机的实时监测，控制风机运行。

以2×185 kW对旋式轴流风机为例，选用S7-200 PLC、空气压力传感器和变频器等组成一个完整的闭环控制系统。系统中还包括接触器、中间继电器、热继电器、断路器等系统保护设备，实现对电机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。

图2 煤矿主扇监控系统原理

为满足自动控制的要求，系统提供手动、自动两种工作模式，并具有现场控制方式、状态显示及故障报警等功能。

3.3 系统组成

煤矿主扇监控系统组成如图3所示。PLC控制柜主要用于实现风机启动、停机，以及两台风机切换过程中风门与其它辅助设备的自动控制。PLC采集柜由传感器和变送器组成，主要用于采集煤矿通风机运行过程中电机的温度、振动、电量等参数。集中监测控制台主要用于提供人机交流信息，通过人机界面可以对煤矿通风机进行启动控制，还可以实时监视风机运行中的各项参数，及时掌握风机的运行情况。PLC主要通过变频调速装置对风机进行变频调速，进而实现节能的目的。系统可以根据井下风量的要求，通过调节变频器的转速来达到调节风速的目的，也可以根据给定的变频器转速来调节风机的风速[7-8]。

图3 煤矿主扇监控系统组成

采用PLC控制，可以对电机的启动与运行控制，还具有监控、联锁和过热保护等功能。PLC与空气压力变送器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，同时使通风机运行时的故障率降低，提高设备的运转率。

4 系统硬件选型

根据实际要求，并综合各方面对比，基于S7-200 PLC进行设计，该PLC具有24个输入点和16个输出点。

PLC变频器的型号为SJ700-3150HFE2，额定功率为315 kW，额定电流为600 A，额定电压为380 V。变频器可适配315 kW重载电机，完全满足现场实际的功率需求，并留有一定的裕量。大多数变频器都有RS 485接口，可分别使用PLC和变频器的RS 485接口，通过通信的方式来控制设备的启动、停止、正转、反转和调速，还可以通过这种方式修改变频器的参数。

将PLC、触摸屏和监控软件结合起来，应用于煤矿主扇监控系统中，实现对通风机运行参数和驱动电机电气参数的实时监测，并可显示当前运行的通风机机号、正反转信号、通风机开停状态，以及变电所高低压设备的运行参数、状态，同时实现远程监测和操控。

温度传感器选用Pt100铂电阻传感器。该传感器利用金属铂在温度变化时自身阻值也随之改变的特性来测量温度，能够准确地测出轴承或定子的温度，并将测量值传送至PLC模数转换电路。当被测介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。这种温度传感器的特点为耐振动，可靠性高，稳定性好，同时具有精确的灵敏性[9]。

连续检测工作时风机轴承和电机轴承的温度，是风机工况监测的一项重要任务。检测时，由温度检测元件和变送器、电压调制电路构成的检测电路与PLC进行通信，将温度参数上传至工控机。根据本系统的监测要求，选择热电阻式热电传感器检测风机温度。

风量传感器选择KGF2型矿用智能风量传感器，采用超声测量原理，具有技术先进、使用方便、长期使用稳定可靠、免维护等特点。风量传感器主要用于煤矿井下各坑道、风口、井口等处的风速、风量检测，以确保煤矿的井下通风安全，可与各种煤矿监测系统配套使用。

选择KGY4型负压传感器对风机压力进行测量，用于检测负压的大小，为本质安全型产品，适用于煤矿井下系统。该传感器采用高稳定性微型扩散硅压力传感元件，具有精度高、稳定可靠、使用方便等特点[10]。负压传感器能与各种煤矿安全及生产监测监控系统配套使用。

瓦斯传感器选择KGJ15型智能遥控甲烷传感器，用于检测煤矿井下瓦斯浓度。这一传感器主要由黑白元件、检测电桥、运算放大器、模数信号转换、单片机、显示、输出等部分组成，是一种智能型检测仪表，具有自动调零、自动调灵敏度、非线性补偿等功能，使用方便，稳定可靠。瓦斯传感器可与国内外各种煤矿监测系统配套使用。

对风机轴承进行振动监测与故障诊断时，通过速度传感器测量轴承的振动峰值、均方根值或均值，并将这些测量值与事先标定出的允许值作比较，指示出轴承运行情况的正常与否。具体测试方法为：通过安装在轴承部位的速度传感器采集振动烈度信号，经过振动变送器送PLC，以便实时监控电机的运行情况。通过风机振动位移和振动周期，可以反映风机潜在的故障，避免风机停机等严重故障发生。经过比较之后，系统中选择MT3T型电磁式速度传感器。

5 系统软件设计

基于PLC的煤矿主扇监控系统主程序流程如图4所示。系统通电后，首先进行故障检测，然后启动风机，打开风门，通过传感器完成通风机轴承温度、风机振动强度及瓦斯浓度等参数采集。如果出现风机轴承温度、振动值超限，则报警停机，如果瓦斯超限，则报警。如果没有报警，则对系统参数进行采集转换，送至PLC，经过运算处理，按系统要求进行控制。

5.1 风机启动流程

1号风机与2号风机通过同一控制系统进行控制，笔者以1号风机为例介绍，其启动流程如图5所示。启动后，打开通往井下的风门，同时关闭地面进风门。初始程序中设定通往井下的风门处于关闭状态，地面风门处于开启状态。旋式轴流主通风机的叶轮由两台同等容量的电机来拖动，两台电机需相反方向旋转。为防止电机同时启动给电网带来太大的冲击，设定在1号风机电机1-1启动30 s后，再启动电机1-2。

图4 煤矿主扇监控系统主程序流程

图5 1号风机启动流程

5.2 风机反风控制流程

对旋式轴流主通风机可通过改变电机的旋转方向来实现反风，不需要另设反风通道。反风控制必须在电机完全停止的情况下才能进行。反风控制时，风门的状态保持不变。以1号风机为例，当收到反风命令时，先按下1号风机电机的停止按钮。当电机完全停止后，再按下1号风机电机1-1的反转启动按钮，经过30 s时间后，按下1号风机电机1-2的正转按钮，进行反风。风机反风控制流程如图6所示。

6 系统程序设计

图6 风机反风控制流程

基于PLC的煤矿主扇监控系统采用STEP7编程软件进行程序设计，按系统要求将用户编写的程序和程序所需要的数据放置在块中，使单个程序部件标准化。通过块与块之间的调用，使用户程序结构化，可以简化程序组织，使程序易于查错和修改。1号风机电机1-1启动程序如图7所示，1号风机电机1-1接入变频器程序如图8所示，1号风机轴温度检测程序如图9所示，1号风机绕组温度检测程序如图10所示，1号风机轴温度超限报警程序如图11所示，瓦斯报警程序如图12所示。