基于PLC 的矿井通风机在线监控技术应用研究
2022-09-25张良
张 良
(晋能控股集团寺河煤矿二号井,山西 晋城 048205)
引言
随着科技的发展,智能控制技术的应用场景变得越来越广泛,为人们的生产生活提供了较大的便利。煤矿的安全运行受到多种因素的制约,矿山起重设备的工作状况对矿山的生产有着重要的作用,煤矿通风系统的安全运转是煤矿安全生产的先决条件。在煤炭领域,矿井通风机属于关键设备,必须保持良好的运行状态,必须得到足够的重视。传统的PLC 技术设备普遍缺乏实时监控模块,一旦发生故障可能会产生较大的问题,使用先进的PLC 技术和矿井同步通风技术,是现阶段提高生产质量的有效方法。因此,必须建设煤矿通风管道的安全、稳定的监测体系[1]。
1 矿井通风方式
矿山的通风模式通常根据其使用区域来决定。在矿山工作时间较短(10~20 年)时,其业务覆盖全矿井;当矿山规模大,使用寿命更久(30~50 年)时,仅将15~25 年的采矿规模视为其业务区域;此时,通常提供的服务范围为第一水平,或者包括第一、第二水平。在服务范围以外的后期通风系统,仅在设计中做简单的考虑[2]。图1 为矿井通风机示意图。
图1 矿井通风机示意图
2 PLC 选型
2.1 PLC 选型原则
1)在计算I/O 时,应当预留足够的剩余。将输入和出口的数值提高10%~20%,并将此区间用作可扩充的范围,在进行PLC 定制时,必须依据生产厂家PLC 的特性来决定其输入量。
2)存储器容量指的是可编程逻辑控制器PLC 的核心硬件存储单元尺寸,程序容量是储存使用者程式所使用的存储器的尺寸,通用程式的容量比存储器容量要低。图2 为S7-300PLC 的I/O 模块。
图2 S7-300PLC 的I/O 模块
3)控制功能的选取包括运算功能、控制功能和通信功能。根据上述原理,该设计使用的是西门子S7-300,它属于模块化的中小型PLC,能够满足中等性能的控制需求。西门子S7-300 具有许多的特点,可以为用户提供编程,启动和维护等方面的功能,包括:指令完成速度快,S7-300 指令处理时间大约为0.1~0.6 us,高速的指令处理能够满足中等到较低的性能要求,并在这个范围内开辟了新的应用;人机界面友好,S7-300 的系统具有接口功能,便于使用,对程序的需求大为降低,通常使用的是一种简明的阶梯图形;诊断功能,S7-300 能够对各设备的运行状况进行监测,并对故障进行实时的故障和异常情况进行实时地录入,方便故障的处理;口令保护功能,S7-300 的多级口令保护,能够保证产品技术机密的安全,同时也能阻止未经允许复制以及更改程序。图3 为S7-300 系列PLC系统构成框图。
图3 S7-300 系列PLC 系统构成框图
2.2 影响PLC 控制系统稳定的干扰因素
影响PLC 的干扰因素有三种:一是各类干扰源,二是多种传输路径,三是不同的接收端[3]。
2.2.1 电源引入的干扰
电源作为电子设备的“粮食”,对电子线路起着重要的作用,它的工作特性决定了其对电子设备的抗噪声、稳定等方面的作用。PLC 的电力供应通常是通过电力网络来实现的。雷电冲击、开关操作、大型电力设备启停、换流设备造成的谐波、电网的短路瞬时冲击等,造成的电力系统震荡,这种电网波动将会经由传输网络传输至PLC,造成电力供应中断,该干扰还会对PLC 子系统、扩展机箱、I/O 模板产生一定的影响,严重时会对控制中心产生干扰,导致PLC 的运行出现问题。
2.2.2 I/O 信号线引入的干扰
通过PLC 控制系统的集中控制,收集各类设备信号。在进行信号传输时,PLC 与不同类型的信号线路会被多种外界的干扰所影响。
由于这些信号线路所造成的干扰通常会造成I/O的不正常,从而使其不能传输出任何有用的信息,严重时将会使器件发生损伤和故障,从而导致PLC 的运行受到极大的限制。
2.2.3 接地线引入的干扰
PLC 系统地线通常由系统地线(信号地线,模拟地线,数字地线),屏蔽地线,保护地线,交流地线等组成。地线本身具有一定的阻抗,因此,在经过地线的过程中,会出现共模电压,这就是所谓的共模干扰。此外,还有地线上电位分布不均的问题,这是由于对地线及其他地线的处理不善,导致了故障,甚至会对整个电网的工作产生不利的影响[4]。
2.2.4 PLC 系统的抗干扰措施
针对PLC 的抗干扰性,采用相应的控制策略,尽量减少干扰,保证其稳定工作。在减少系统被扰乱的情况时,可以从三个角度来分析,分别是降低干扰噪声的强度,尽量降低噪声干扰到电路的耦合因素,提升电路的抗于扰能力。
2.2.5 电源系统的抗干扰措施
针对电源系统中存在的异常和失真所造成的电力干扰,为增加电源系统的稳定性,必须使用专门的电源系统。此外,在A/C 供电和PLC 之间,将双屏蔽的隔离变压器及低通滤波器加接,可对电力网络中的电压和失真、电源系统的影响进行控制。采用绝缘化的方法,将电源系统的干扰与信号的接地相分离,降低了电力系统对PLC 的冲击;利用低通滤波器对高频信号进行滤波,减小了系统的输出端的电压起伏,从而改善了系统的供电可靠性。
2.2.6 合理布线
在PLC 设备的实际应用中,必须遵循一定的原则。在布线时,把控制线、电源线和信号线分隔开,使它们相互有一定的间隔,这种间隔通常在30 cm 或更大时为宜。在开关和模拟输出的信号之间的间隔较长时,一般采用屏蔽线或双绞线;在特定的高频段中,一般采用光缆。为了使其具有切换的通断性,必须将其屏蔽层与点上的平衡导线并联,同时使屏蔽层的两个末端与接地连接;在对模拟量进行传送时,采用屏蔽层的方法防止干扰外部的高频干扰。此外,为了降低外部高频率的影响,通常需要选择各种不同的插头接头。
2.2.7 接地干扰措施
当对配电箱内的装置进行连接时,必须将PLC与其他装置隔离。在接地时,必须符合控制系统相同接地点的需求。接地电阻必须在100 Ω 以下,地导线的剖面面积不得少于2 mm,并与PLC 之间的间距不超过50 m。
3 PLC 软件程序设计
STEP7 具有很强的PLC 程序设计语言。标准版本的软体支持LAD(梯形图)、STL(语句表)和FBD(功能图),这些都是最基础的程序设计,并且可以在STEP7 中进行交互。专业版提供了GRAPH(顺序功能图)SCL(结构化控制语言)HiGraph(图形编程语言)CFC(连续功能图)等编程语言的支持。各种类型的程序设计可以为具有各种知识背景的人员提供选择[5],如图4、图5 分别为风机启动主程序和倒换风机自动控制方式流程图。
图4 风机启动主程序流程图
图5 倒换风机自动控制方式流程图
4 运行效果分析
工作人员能够通过本系统实时对主通风机的性能、状态和内部机械运行的各项参数进行了解,进行远程控制,预设运行效果都得到了实现。通过该系统,能够保证风机稳定运行,提高风机经济效益。同时,系统兼具使用便捷、可靠性高的特点,对风机自动化管理工作的开展有很大的帮助。该系统还能为设备日常管理和维护检修工作提供可靠的数据。