基于PLC 的矿井通风机在线监控技术应用研究

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。