韻 凱

(西山煤電集團公司 機電處，山西 太原 030050)

·技術經(jīng)驗·

PLC監(jiān)控系統(tǒng)在對旋軸流風機上的應用研究

韻 凱

(西山煤電集團公司 機電處，山西 太原 030050)

為了提高礦井主通風機的可靠性和安全性，對西山煤電西銘礦冀家溝風機房使用的2臺對旋主通風機進行性能測試，并結合日常人工手動操作風機所發(fā)現(xiàn)的問題，利用電機內部自帶的溫度傳感器，壓力傳感器、高開柜內選取電壓、電流等信號，將風機蝶形風門遠控點、高開柜遙控信號的接入，運用“PLC+工業(yè)以太網(wǎng)+IPC”的監(jiān)控模式，對主通風系統(tǒng)監(jiān)控和遠程操作進行了改造，達到了煤礦主通風機的高效運行、在線監(jiān)測、遠程監(jiān)控及操作，為礦井安全生產(chǎn)提供了重要保證。

對旋軸流風機；性能測試；PLC；監(jiān)控系統(tǒng)；遠程操作

煤礦生產(chǎn)主要是地下作業(yè)，自然條件比較復雜，只有少數(shù)井巷與地面相通。為保證安全生產(chǎn)，必須對礦井不斷輸入新鮮空氣并排出污濁空氣。主通風機也稱為主扇，是煤礦非常重要的地面大型設備，它能夠有效防止井下瓦斯的聚集，進一步降低瓦斯爆炸的可能性，為確保礦井安全生產(chǎn)提供保障。我國煤礦安全規(guī)程規(guī)定，當主通風機突然停機時，必須保證在10 min內恢復向礦井供風，因此，對主扇風機主要性能參數(shù)的實時掌控和調整是非常必要的。西山煤電集團公司西銘礦冀家溝主通風機一直使用傳統(tǒng)的通風控制系統(tǒng)，即簡單繼電器+接觸器的控制系統(tǒng)，并人為對現(xiàn)場設備的電流表、電壓表、負壓計、流量計等監(jiān)測表/計進行巡查監(jiān)督記錄，對現(xiàn)場的閥門和開關設備等進行手動操作。發(fā)現(xiàn)通風控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題進行處理或正常倒機操作時，往往存在程序繁瑣，操作過程時間長，容易出現(xiàn)誤操作等問題，最終造成井下瓦斯超限的安全隱患。所以，必須對舊的風機監(jiān)控和操作系統(tǒng)進行改造。

1 PLC監(jiān)控系統(tǒng)的原理結構及特點

1.1 煤礦用對旋軸流風機的工作特性曲線

軸流式通風機的實際工作特性可以用3條曲線來表示[1]，分別是風壓特性曲線、功率特性曲線和效率曲線，見圖1.

圖1 軸流式通風機特性曲線圖

由圖1風壓特性曲線可以看出，主扇風機的風量呈減小趨勢，而全壓值在曲線圖上所表現(xiàn)出來的是先增加再減小又增加的形態(tài)。造成了小流通風量區(qū)域通風機的特性曲線出現(xiàn)了駝峰形狀，因此，主扇通風機在實際運行中不建議在此區(qū)域工作。

由圖1功率特性曲線可以看出，主扇風機電機軸的功率在主風機不帶任何負載時達到了最大，隨著風門慢慢開啟，風量慢慢的增加，主扇軸功率逐漸減小。因此，為了保護電機，避免電機啟動過載保護動作，主通風機啟動時閥門必須全部開啟。

西銘礦冀家溝風機房使用的是北京燕京風機廠生產(chǎn)的FBCDZ-8-№28 (2×355 kW)軸流風機，通過對主通風機進風量截面的控制，達到調節(jié)風量的目的。根據(jù)上述3條軸流風機特性曲線的特點，按照不同風量測量下的風壓、功率等參數(shù)采取給定工作頻率的不同，或者調整了風葉葉片角度等方法，使用PLC監(jiān)控系統(tǒng)來調節(jié)主扇的風量，保證主扇的高效經(jīng)濟運行。

1.2 PLC監(jiān)控系統(tǒng)對主通風機的數(shù)據(jù)監(jiān)控

主通風機運行的主要參數(shù)監(jiān)測主要有以下幾點：

1) 風機參數(shù)：負壓、靜壓、流量、效率、軸承溫度、軸承振動。

2) 通風機電參數(shù)測量內容包括：電流、電壓、功率、功率因數(shù)及電度。通過對這些電參數(shù)的監(jiān)測，可以確定通風機的輸入功率、輸出功率、風機的效率，同時，也可以了解通風機當前的運行狀態(tài)，有利于發(fā)現(xiàn)電動機的故障。

3) 開關量狀態(tài)：饋出口柜狀態(tài)、進線柜的狀態(tài)、聯(lián)絡柜狀態(tài)、電機是否運行、電機處于正轉還是反轉、風機是否運行、蝶閥以及風門是開啟還是關閉，有無故障報警。

主通風機在線監(jiān)控系統(tǒng)就是通過安裝在風機各處的傳感器，獲得風機運行的實時參數(shù)，在上位機中對數(shù)據(jù)進行直觀的觀察分析，判斷風機運行是否正常，是否存在故障隱患，保證風機的正常運行。

由于施工企業(yè)的項目有著分布廣的特性，為此持續(xù)的財務監(jiān)督是必不可少的。通過將綜合檢查和專項檢查相結合，自查和互查相結合，從而形成全方位覆蓋的監(jiān)督監(jiān)察網(wǎng)，保證施工企業(yè)工程項目部的財務管理有效性、防止成本失控與效益的流失。要將檢查作為日常檢查制度，實行業(yè)務考核制度，有效提高制度的執(zhí)行力，提高員工的工作積極性。

1.3 主通風機在線監(jiān)測所采用的組成結構方式

冀家溝主扇在線監(jiān)測運用的是西門子公司PLC+工業(yè)以太網(wǎng)+工業(yè)個人計算機(IPC)的監(jiān)控模式，從風機和蝶閥等現(xiàn)場設備采集的數(shù)據(jù)與PLC之間是采用過程現(xiàn)場總線的通信方式，工程師控制站與PLC之間應用點對點的多點通信方式，上層網(wǎng)絡和上位機之間采用色散管理與相位共軛技術的通信方式(圖2).在線監(jiān)測改造使用的是西門子公司S7-300系列的PLC，將這一系列的PLC用作下位機，上位機使用工控機，在監(jiān)控室安裝控制柜，并且將信號采集設備和控制輸出設備放于控制柜內，能夠實現(xiàn)信號的數(shù)據(jù)采集與實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)的記錄及分析，風機的故障報警、遠程控制，數(shù)據(jù)的遠程傳送、診斷。

圖2 軸流風機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構示意圖

2 新在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成

冀家溝風機房的在線監(jiān)測控制系統(tǒng)按照功能模塊化思路設計，主要由AI模塊、DI模塊、DO模塊，上位工控機數(shù)據(jù)監(jiān)控，風機數(shù)值采集、控制PLC模塊、網(wǎng)絡遠程數(shù)據(jù)控制模塊等組成(圖3).

圖3 主扇控制系統(tǒng)功能結構框圖

2.1 傳感器與執(zhí)行機構

風機就地各個信號的測量是通過多種類型的傳感器經(jīng)變送器轉換信號后實現(xiàn)。其中電機運行參數(shù)是重點[2]，根據(jù)通風機的特點與現(xiàn)場的具體要求，冀家溝主通風機采用的是佳木斯電機廠生產(chǎn)的電機，電機內部包含6組定子、2組前軸、2組后軸溫度傳感器。振動信號通過安裝在風機電機風筒里的振動傳感器把振動速度信號轉換成電壓信號；壓力信號則是通過引壓裝置采集局部環(huán)節(jié)差壓信號。

2.2 PLC的選型

根據(jù)冀家溝主扇通風機的工作特點，經(jīng)過分析可知，其完整的控制過程需要可控變化量90個左右，系統(tǒng)的CPU類型選擇緊湊型-CPU 314，考慮到系統(tǒng)余量，參照西門子公司PLC(S7-300)系列手冊，對AI模塊、DI模塊、DO模塊、PS307、IM361、IM360、遠程網(wǎng)路通信模塊進行選型[3].

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

3.1 下位機的組態(tài)

按照冀家溝主風機的監(jiān)控要求，安裝PLC控制程序軟件并建立程序塊，其主要包含5個FC功能塊，3個數(shù)據(jù)塊，1個組織塊OB1，1個模擬量輸出模塊FC106，1個輸入模塊FC105. 在各程序塊內進行編程(圖4).OB1循環(huán)組織塊是程序主體，主要程序都編寫在OB1中，此外主程序塊還可以調用其它各種功能或功能塊，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。

圖4 1#風機電機啟動柜工作啟動程序示意圖

3.2 上位機的組態(tài)

西銘礦冀家溝主扇風機在線監(jiān)測系統(tǒng)使用的是北京昆侖泰通自動化軟件公司的監(jiān)視與通用控制系統(tǒng)組態(tài)軟件，可以快速構造和生成監(jiān)控系統(tǒng)所需界面，可視性好，維護性強，最終實現(xiàn)對風機的各項控制功能。

系統(tǒng)監(jiān)控主界面見圖5，主通風機后臺電腦監(jiān)控畫面主要有2臺風機的關鍵部位測點的實時數(shù)據(jù)，風機運行的狀態(tài)反饋，風門蝶閥的關啟反饋，開關量狀態(tài)，系統(tǒng)集中控制中心，報警畫面及歷史記錄，還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)報表的輸出打印。

圖5 系統(tǒng)監(jiān)控主界面圖

4 新監(jiān)控系統(tǒng)的投運

4.1 改造后發(fā)現(xiàn)的問題及處理

將冀家溝主通風機監(jiān)控系統(tǒng)進行改造后，收到了預期的效果，但是在運行了一段時間后發(fā)現(xiàn)仍存在一些問題。

1) 風筒風壓的遠傳數(shù)值和通過水銀柱實地測量得到的結果有一些偏差，并且數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定。初步判斷是變送器故障，檢測后排除；經(jīng)過推敲，最終確定是通訊線路的問題。經(jīng)分析由于冀家溝風機房風機與后臺監(jiān)控室之間有一段較長的距離，在風筒上取風壓信號后，通過1條單獨的通訊信號線經(jīng)過架空桿、電纜溝等很長距離后接入監(jiān)控室，并且沒有較好地進行電纜防干擾屏蔽，這些因素造成了信號的不穩(wěn)定及不準確。措施使用大功率信號變送器，增強信號的輸出；優(yōu)化信號走線布置，縮短線纜長度；與動力電纜同線槽布置時保持規(guī)定距離，防止干擾，最終該問題得以解決。

2) 為了監(jiān)控風機電機及葉片等轉動設備造成的振動，在風筒上安裝了X軸和Y軸方向的振動監(jiān)測探頭。風機運行后發(fā)現(xiàn)：電機及葉片結合部位肉眼觀測有明顯振動，而探頭顯示振動值幾乎為零，起不到監(jiān)控作用。措施：經(jīng)分析由于原廠風機出廠時并未預設振動監(jiān)測位，而振動探頭的安裝位置直接決定著數(shù)據(jù)的準確性，根據(jù)廠家提供的意見把探頭通過焊接支架直接安裝在風筒外壁上，振動傳導到這里已經(jīng)非常微弱，體現(xiàn)不出關鍵部位的振動情況，后來根據(jù)風機風筒結構及長期觀察振動較大部位，最終確定了振動探頭在風筒內部風機電機支架底部的安裝位置，現(xiàn)已長期運行，數(shù)值顯示精準。

4.2 改造后的使用效果

冀家溝主通風機新監(jiān)控系統(tǒng)改造以后，經(jīng)過長時間的運行觀察，系統(tǒng)運行非常平穩(wěn)，PLC動作正常，后臺操作界面顯示友好，各系統(tǒng)通信較為暢通，主通風機的所有關鍵測點和參數(shù)都能夠在后臺機上直接查看，報警提示非常醒目及時，風門及電機的操作也全部從后臺電腦進行。經(jīng)過實測，在模擬事故狀態(tài)下的倒機操作只需要3 min就能全部完成，降低了運行人員的勞動強度，提高了設備的可靠性。

5 結 語

利用“PLC+工業(yè)以太網(wǎng)+ IPC”技術對冀家溝風機房監(jiān)控操作系統(tǒng)進行改造，提高了設備的可靠性，降低了勞動強度，提高了安全系數(shù)，確保了井下工人的生命安全，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，值得推廣。

[1] 張 俊，姚金林．GAF型礦用軸流式主要通風機現(xiàn)場性能測試[J]．煤礦科學技術，2005(3)：22-25.

[2] 崔 鑫，李繼勇．PLC在煤礦主通風機自動控制系統(tǒng)的應用[J]．煤礦機械，2004(4)：25-28.

[3] 王嘯東.PLC控制系統(tǒng)設計方法解析[J].自動化與儀器儀表，2011(1)：43-48．

Application of PLC Monitoring System in Counter-rotating Axial Fan

YUN Kai

For the improvement of the reliability and safety in main ventilation fan, the performance of the two main fans in Ximing coal mine( which is under xishan coal and electricity group) is measured and analyzed. Combined with the already known problems during daily manual operation. Data from the temperature sensor and pressure sensor inside the motor are collected, voltage and current signals from high voltage switch cabinet also being introduced, the butterfly shaped air-door remote signal and remote operation signal from high voltage cabinet adopted, together with the PLC+Industrial Ethernet+IPC Monitoring mode, the monitoring and remote operation system are totally upgraded, so to achieve the on-line monitoring, remote monitoring and operation, efficiency increased and safety production guaranteed.

Counter-rotating axial fan; Performance test; PLC; Monitoring system; Remote operation

2016-11-21

韻 凱(1982—)，男，山西清徐人，2005年畢業(yè)于徐州礦院，助理工程師，主要從事礦山機電技術及管理工作

(E-mail)864800523@qq.com

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1672-0652(2017)01-0017-03