堅德毅

（1.天水電氣傳動研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020；2.大型電氣傳動系統(tǒng)與裝備技術(shù) 國家重點實驗室，甘肅天水741020）

1 引言

主扇風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于向井下輸送新鮮空氣、排除瓦斯、降低井下溫度和濕度，其特點是風(fēng)機(jī)功率大、必須常年不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，耗能高、運(yùn)行環(huán)境惡劣等。煤礦井下空氣中含有瓦斯等可燃易爆氣體，主扇風(fēng)機(jī)可靠、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)是整個煤礦安全生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，與全礦井下工作人員的生命安危直接相關(guān)。

目前國內(nèi)礦井主扇風(fēng)機(jī)多采用軸流式對旋風(fēng)機(jī)，傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的主扇風(fēng)機(jī)長期工作在全功率負(fù)荷，風(fēng)量、風(fēng)壓的調(diào)節(jié)通過風(fēng)門角度或風(fēng)葉角度來控制，浪費大量電能，部分煤礦風(fēng)機(jī)監(jiān)控、管理還停在手工記錄方式，實時性和準(zhǔn)確性難以保證，設(shè)備運(yùn)行狀況得不到現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，頻發(fā)“突然”故障停機(jī)現(xiàn)象，延誤井下通風(fēng)。應(yīng)用PLC及中壓變頻器的風(fēng)機(jī)自動控制及在線監(jiān)測系統(tǒng)具有運(yùn)行平穩(wěn)、倒機(jī)快捷、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析透明，對故障預(yù)測、判斷準(zhǔn)確的優(yōu)點，其市場前景廣闊。

2 系統(tǒng)功能及實施方法

主扇風(fēng)機(jī)的控制、監(jiān)測對象是風(fēng)機(jī)電控設(shè)備、機(jī)械設(shè)備及風(fēng)道系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。為保證不間斷送風(fēng)，大部分礦山通常采用由兩條風(fēng)道、兩套對旋式軸流風(fēng)機(jī)組成的雙機(jī)組互備系統(tǒng)。本文重點介紹自動控制技術(shù)的理論與實踐方面的問題，研究兩套主扇風(fēng)機(jī)的自動切換控制、反風(fēng)控制及檢測數(shù)據(jù)處理、分析、顯示等工作。數(shù)據(jù)傳輸模式兼容滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的多種數(shù)據(jù)交換形式，F(xiàn)TP、局域網(wǎng)IE數(shù)據(jù)服務(wù)與廣域網(wǎng)IE數(shù)據(jù)服務(wù)功能，可與全礦井自動化系統(tǒng)實現(xiàn)靈活便捷的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，將風(fēng)機(jī)的實時運(yùn)行參數(shù)傳輸?shù)娇傉{(diào)度室，實現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)監(jiān)測、信號分析于一體的設(shè)備綜合管理。

2.1 主扇風(fēng)機(jī)系統(tǒng)組成

主扇風(fēng)機(jī)由4部分組成：①變頻器、PLC控制器、傳感器等硬件部分；②信號采集、轉(zhuǎn)換部分；③數(shù)據(jù)處理、分析部分；④報表、顯示輸出部分。主要控制內(nèi)容：變頻器正常啟停、一鍵機(jī)組切換、反風(fēng)控制、風(fēng)門開關(guān)及角度控制，如圖1所示。主要監(jiān)控參數(shù)：①風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，風(fēng)量、負(fù)壓、靜壓、動壓、全壓、風(fēng)速、風(fēng)道進(jìn)出風(fēng)口溫度等；②電動機(jī)運(yùn)行參數(shù)，電流、電壓、功率、轉(zhuǎn)速、軸承溫度、繞組溫度、正反轉(zhuǎn)、風(fēng)機(jī)振動等。③變頻器參數(shù)，變壓器溫度、電壓、電流、頻率、狀態(tài)、報警、故障等，如圖2所示。

圖1 主扇風(fēng)機(jī)電控主回路

圖2 主扇風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)圖

2.2 控制方式

（1）由上位機(jī)啟動風(fēng)機(jī)，PLC控制系統(tǒng)發(fā)出指令打開風(fēng)門、同時啟動兩臺變頻器，變頻器帶動電機(jī)開始工作，加速到工藝要求運(yùn)行頻率。

變頻器采用V/F控制，PLC調(diào)用FB41連續(xù)的模擬量PID控制功能塊，做基于風(fēng)速、風(fēng)壓傳感器的恒風(fēng)量控制，根據(jù)采集的實際數(shù)據(jù)IRF及輸入的數(shù)據(jù)VRF1進(jìn)行比較處理后，PLC輸出4mA－20mA給定值同時給兩臺變頻器，使風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量達(dá)到規(guī)定的值，如圖3所示。

圖3 變頻器恒風(fēng)量PID調(diào)節(jié)

因為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動態(tài)性能要求不高，PID調(diào)節(jié)的采樣周期沒有必要太小，采用OB35即節(jié)省資源，而且不會因修改程序改變采樣周期。OB35是組織塊，優(yōu)先級高于OB1，變采樣周期默認(rèn)100ms。

FB41編程方法如下。

圖4 連續(xù)的模擬量PID調(diào)節(jié)功能塊

圖5 主要調(diào)節(jié)參數(shù)

在PID中不同的物理量，它們的量綱單位均不同，所以要進(jìn)行規(guī)格化工作。PID參數(shù)中重要的幾個變量，給定值（如圖5所示），反饋值和輸出值都是用0.0－1.0之間的實數(shù)表示，而這幾個變量在實際中都是來自與模擬輸入，或者輸出控制模擬量的因此，需要將模擬輸入轉(zhuǎn)換為0.0－1.0的數(shù)據(jù)，或?qū)?0.0－1.0 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬輸出，這個過程稱為規(guī)格化。

規(guī)格化的方法：（即變量相對所占整個值域范圍內(nèi)的百分比對應(yīng)與27648數(shù)字量范圍內(nèi)的量）

對于輸入和反饋，執(zhí)行：變量×100/27648，然后將結(jié)果傳送到PV－IN和SP－INT

對于輸出變量，執(zhí)行：LMN×27648/100，然后將結(jié)果取整傳送給PQW即可；

（2）風(fēng)機(jī)切換過程：分為正常切換和故障切換，正常切換時，人為選擇風(fēng)機(jī)，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)切換；故障時為系統(tǒng)自動切換。

（3）反風(fēng)過程：降低正在使用風(fēng)機(jī)的輸出頻率，使之按照設(shè)定曲線盡快降速至停止。選擇變頻器反轉(zhuǎn)運(yùn)行，并啟動變頻器帶風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

全自動控制模式下，以上過程完全由上位機(jī)和PLC來完成，根據(jù)負(fù)載特性設(shè)置好斜坡函數(shù)發(fā)生器以防止直流母線電壓超限，編寫控制工藝流程，優(yōu)化調(diào)試完成后，自動模式更節(jié)省切換時間。

圖6 自動倒機(jī)時序

2.2 數(shù)據(jù)采集處理

（1）電參數(shù)

傳送的電參數(shù)有電動機(jī)的電流、電壓、功率、功率因數(shù)等。選用精度高、可靠性好的電量采集模塊將來自電壓、電流互感器二次側(cè)的電壓、電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號接入S7－300。

（2）振動信號

通風(fēng)機(jī)被安裝后，“通風(fēng)機(jī)－支承系統(tǒng)”的基本固有頻率高于通風(fēng)機(jī)的工作主頻率，稱為剛性支承。“通風(fēng)機(jī)－支撐系統(tǒng)”的基本固有頻率低于通風(fēng)機(jī)的工作主頻率，稱為撓性支撐。在各個測量方向和測量點上，測得的振動速度方均根不應(yīng)超出：

對于周期振動，是指在一個振動周期內(nèi)、振動速度瞬時值平方后平均值的平方根，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式（1）中：

Vmms為振動速度方均根值（有效值〉，單位為毫米每秒（mm/s）；T 為振動周期，單位為秒（s）；v（t）為隨時間t變化的振動速度函數(shù)，單位為毫米每秒（mm/s）；t為時間自變量，單位為秒（s）。

系統(tǒng)要求測量4臺風(fēng)機(jī)的水平與垂直振動烈度，采用速度傳感器類型，頻響特性10Hz－1000Hz，可測量軸承座的絕對振動，靈敏度高、輸出信號大、輸出阻抗低、電氣性能穩(wěn)定、不受外部噪聲干擾。輸出電流信號，接入PLC系統(tǒng)，經(jīng)過式（1）換算后，當(dāng)風(fēng)機(jī)主軸承振動大于2.6 mm/s時報警，大于4.3mm/s時跳閘停機(jī)切換機(jī)組。

（3）軸溫測量

連續(xù)監(jiān)測風(fēng)機(jī)工作時的軸承溫度和電動機(jī)的軸承溫度，也是風(fēng)機(jī)需要監(jiān)測的一項重要任務(wù)。電動機(jī)軸承溫度和風(fēng)機(jī)軸承溫度的傳感元件為在電動機(jī)出廠時預(yù)埋的PT100鉑熱電阻，并以三線制的方式引出至風(fēng)機(jī)電機(jī)接線盒。PLC控制系統(tǒng)配置具備RS485通訊功能的32路溫度巡檢儀表，溫度數(shù)據(jù)以通訊方式傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)，節(jié)省成本。

（4）負(fù)壓和風(fēng)量

依據(jù)MT 421－1996《煤礦用主要通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場性能參數(shù)測定方法》，布置P1測點在一級風(fēng)機(jī)環(huán)形斷面，水平、垂直的兩條直徑與硐壁和芯筒外緣的交點處，布置P2測點在連接風(fēng)筒圓形斷面，水平、垂直的兩條直徑與硐壁的交點處。

負(fù)壓由風(fēng)壓傳感器直接測得，風(fēng)量由負(fù)壓計算得到：

式（2）中：s1、s2為風(fēng)機(jī)機(jī)體的兩處截面積；為截面處的負(fù)壓；ρ為空氣密度。

3 數(shù)據(jù)處理、分析

數(shù)據(jù)處理、分析系統(tǒng)以PLC為核心，配置各種外圍設(shè)備，在軟件中應(yīng)用相應(yīng)算法，完成數(shù)據(jù)的采集、分析等工作，以圖表等多種形式顯示在上位機(jī)上，并傳輸?shù)街付ǖ攸c。

本系統(tǒng)采用WinCC7.3及SQL Server平臺的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。SQL Server是數(shù)據(jù)庫軟件，功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟。用VC＋＋開發(fā)的程序體積小效率高，且程序開發(fā)過程靈活。SQL Server數(shù)據(jù)庫具有速度快、可用性高、安全可靠等優(yōu)點，因此，是風(fēng)機(jī)監(jiān)控軟件理想的數(shù)據(jù)庫平臺。監(jiān)控軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理的硬件系統(tǒng)通過Profibus－DP現(xiàn)場總線連接，儀表、傳感器等測量數(shù)據(jù)通過RS485、工業(yè)以太網(wǎng)采集系統(tǒng)上傳到監(jiān)控軟件，控制命令從監(jiān)控軟件下發(fā)到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

振動檢測內(nèi)容包括檢測水平、垂直、軸向方向數(shù)據(jù)信息，譜圖類型有波形圖、速度頻譜圖、加速度頻譜圖等；查找具有代表性的振動信息特征是指剔除沖擊信號以后尋找具有一定規(guī)律性的譜線族（如削波、軌跡尖角、某一倍頻振值升高等）；

判斷振動值是否異常是指將波形或頻譜圖所反映的較大振值與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較并得出評判結(jié)果；分析故障機(jī)理主要是根據(jù)波形或振動值超標(biāo)時所在頻率段綜合分析，判斷出故障發(fā)生的原因。在該過程中信號測試是基礎(chǔ)，查找具有代表性的振動信息特征是核心，分析故障機(jī)理是關(guān)鍵。

參考風(fēng)機(jī)振動頻譜特征圖（如圖7所示）、表1等資料，結(jié)合實際風(fēng)機(jī)參數(shù)，即可把這些特征數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合起來，利用PLC做算法比較，對振動故障做出預(yù)警分析。

圖7 振動診斷基本原則

表1 振動故障特征頻率

4 結(jié)束語

礦井主扇風(fēng)機(jī)控制與在線監(jiān)測系統(tǒng)以中壓變頻器及PLC控制為核心，配以各種外圍設(shè)備組成，在軟件的控制下，完成數(shù)據(jù)的采集、分析等工作，以圖表等多種形式顯示在顯示器上，并傳輸?shù)街付ǖ攸c。PLC系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集和風(fēng)機(jī)、風(fēng)門的啟?？刂??；赩C＋＋和SQL Server的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)保證了風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和實時性。該系統(tǒng)對提高煤礦綜合自動化系統(tǒng)的信息化、智能化水平有一定的促進(jìn)作用。