基于PLC 的安全通风监测系统的设计及应用

2021-05-19弋晨晨

机械管理开发 2021年3期

弋晨晨

（晋能控股煤业集团晋华宫矿技术科，山西大同 037016）

引言

矿井通风系统对井下安全开采有重要影响，目前，矿井主通风机主要采用模拟仪表对数据进行监测，需要工作人员定时去现场抄写表上数据，而且通风系统不能实时监测主通风机的通风量等关键参数，监测内容不全，监测结果不精确[1-2]。因此，要建立一套完整的自动控制通风监测系统，选用FBCDZ No.28/2200 系列的通风机，通过设计监测系统，实现对通风机性能、参数以及运行状态的在线监测。

1 通风监测系统设计的总体要求

设计通风监测系统时，要满足以下要求：能实时监测主通风机电机、变频器等运行参数，通过上位机监控画面，实时监测通风设备的运行状态，具有数据查询、报警和记录等功能；能控制主通风机高低压开关柜的开闭，对通风机的电机绕组温度进行监测，同时，系统具有远程监控功能；能控制通风机的启停；能同时实现手动、自动、远程控制。

2 通风监测系统的总体设计

通风监测系统主要包括主站上位机模块、PLC下位机模块、传感器模块、电量监测模块以及风速监测模块等，其总体架构如图1 所示。

图1 通风监控系统架构

主站上位机模块包括UPS、打印机和计算机，主要是对监控的通风机运行参数、风门状态、风机启停等进行显示，便于进行数据处理和查询。

PLC 下位机模块包括电源、CPU、输入输出单元、通信单元等，主要采用西门子S7-300 可编程控制器，该控制器具有较强的抗干扰能力，能在各种复杂的工况下工作，系统配置合理，操作维护方便，能满足现场的使用要求。

现场传感器模块主要包括压力、温度、转速等传感器，将现场采集到的数据转换成标准的电信号，然后传输给CPU。为了减少传输过程中的误差，提高监测精度和系统的稳定性，使用有变送器、标准电流信号 4～20 mA、电压信号 0～5 V 的传感器，现场使用二线制RVVP 电缆进行单独传输信号。

电量监测模块应用电磁隔离和光电隔离技术，采用EDA9033 型电量监测模块，实现对电压和电流输入输出的完全隔离，使用TCP/IP 协议连接电量监测模块和PLC 模块，采集三相电流和三相电压、功率等数据[3]。

风速监测模块是通过测量风道上下侧的压差来进行监测，气流通过局部变截面时会产生风量损失压差，风量信号的大小与气流的紊乱和局部变化有关，采用高精度的测速仪表来测量不同工况下的风量大小，通过监测局部变化产生的静压差来确定风量与差压的关系，从而实现对风速的在线监测。

3 通风监测系统的软、硬件设计

3.1 硬件设计

通风监测系统中的硬件主要使用的是PLC 模块，由于PLC 具有多输入多输出、体积小、能耗低、灵敏度高等优点，能满足井下复杂的工作环境。西门子系列的PLC 基本组成如下页图2 所示。

通风监测系统中各类现场传感器模块是将各自采集到的信号转换成4～20 mA 的直流电流信号和0～5 V 的直流电压信号；温度测量模块用来采集工作中主通风机的温度信号；电量测量模块用来采集开关柜的功率信号，通过RS485 接口与计算机通讯；PLC 可编程控制器包括开关量和模拟量输入输出模块，其中，模拟量输入输出模块用来采集主通风机的压力、振动、频率信号，开关量输入输出模块用来采集辅助开关信号，现场总线采用工业以太网通讯模块来连接。在计算机接收到控制指令后，通过PLC 开关量输出模块，将信号输出给中间继电器，通过继电器将信号输入到电机和控制回路中，驱动各个控制对象来运动，同时，通过PLC 模拟量输出模块，给定变频器频率，通过在线调节主通风机的转速，从而实现能耗的降低[4]。

图2 系统硬件构成及系统组成

3.2 软件设计

通风监测系统的软件部分采用结构化编程的方法来编写，为了实现通风监测系统的自动控制和监测，将整个系统软件部分分成若干个子系统，总系统按照控制顺序调用各个子系统，系统的软件流程图如图3 所示，设置有手动和自动两种控制模式，在手动模式下，通过手动控制程序来实现主通风机的正常运行，在自动模式下，判断1 号主通风机是否启动，如果启动，通过控制风门，选择控制模式，给定变频器频率驱动主通风机运行，同时监测风机的参数，将监测数据与给定数据比较，在出现故障时，要先将故障排除，从而实现主通风机的正常运行。

通风监测系统的子程序主要包括主通风机控制子程序、PID 调节子程序、供电系统控制子程序、模拟量采集子程序等，以风量调节为例，对风量的PID 调节子程序如图4 所示，在对风量进行调节时，首先给主通风机设定风量初始值，然后读取控制器反馈的风量值，将反馈值与初始值进行求差，得到偏差值，在PID 控制器的作用下，计算出工作所需的风量。

图3 软件流程图

图4 风量PID 调节流程图

4 应用效果

将通风监测系统应用在井下开采过程中，根据设计的通风监测系统，真实地反映了井下通风机的工作状况，采集和监测的数据比较准确，系统运行可靠性较高，为井下工作人员提供了准确的数据，在出现故障时，及时采取措施进行补救，系统的自动化程度大大提高，井下通风安全性能得到改善，同时，监测得到的数据通过工业以太网传输，实现数据共享，提升系统的数字化和自动化水平。