張 超

（西山煤電馬蘭礦，山西古交 030200）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦開(kāi)采力度的逐漸增大，以及對(duì)煤礦作業(yè)安全的逐步提升，要求所有的煤礦設(shè)備需具有更加穩(wěn)定可靠的綜合性能。礦用通風(fēng)機(jī)作為煤礦設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備，保證其具有較高的控制性能及運(yùn)行穩(wěn)定性，已成為當(dāng)下煤礦企業(yè)提高通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率及運(yùn)行安全的重要關(guān)注方向[1]。由于井下環(huán)境的惡劣性，加上通風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，且現(xiàn)有控制技術(shù)時(shí)刻出現(xiàn)不斷提升狀態(tài)，導(dǎo)致現(xiàn)有的通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)在一定程度上已無(wú)法滿足當(dāng)下通風(fēng)機(jī)的控制需求，因此，有必要對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)展提升研究。

在通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成分析基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)中PLC控制模塊、變頻器、通訊連接、PID閉環(huán)調(diào)節(jié)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，開(kāi)展了控制系統(tǒng)中硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，并將其在FBD型通風(fēng)機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，能更好地滿足礦用通風(fēng)機(jī)的使用需求。所開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)能降低通風(fēng)機(jī)設(shè)備的故障概率及維修費(fèi)用支出，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

1 通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)特點(diǎn)

礦用通風(fēng)機(jī)作為井下作業(yè)中的重要設(shè)備，其通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)一般包括了主通風(fēng)機(jī)及輔助通風(fēng)機(jī)，并設(shè)置有1個(gè)進(jìn)風(fēng)口和2個(gè)出風(fēng)口[2]。現(xiàn)有的通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)基本相同，主要包括一級(jí)葉輪、二級(jí)葉輪、集流器、擴(kuò)壓器、整流罩、消音器等設(shè)備。在現(xiàn)有通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，已廣泛將控制系統(tǒng)應(yīng)用到通風(fēng)機(jī)設(shè)備上。目前，通風(fēng)機(jī)上的控制系統(tǒng)主要由各類傳感器、通風(fēng)機(jī)、PLC控制模塊、配電柜、顯示界面、變頻器等部分組成[3]。其中，由溫度傳感器、電量采集模塊、變頻器及其他傳感器共同組成了監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量級(jí)，可快速完成對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中溫度變化、振動(dòng)情況、通風(fēng)量、通過(guò)速度等參數(shù)的快速檢測(cè)及遠(yuǎn)程控制。在整個(gè)控制過(guò)程中，首先通過(guò)前端的各類傳感器對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各類參數(shù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，并將檢測(cè)的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)通訊模塊，快速傳遞至PLC控制模塊中，完成數(shù)據(jù)信號(hào)的快速分析和處理；之后將分析處理后的信息在顯示界面中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，針對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各類故障信息，及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，并執(zhí)行相應(yīng)的安全切斷設(shè)備運(yùn)行等命令。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制模塊匹配設(shè)計(jì)

PLC作為市場(chǎng)上較為成熟的控制模塊，憑借其較高的采集精度和較快的運(yùn)行速度，在各大控制系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。PLC控制模塊是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，保證其具有較高的信號(hào)運(yùn)算速度及運(yùn)算精度，較高的井下環(huán)境適應(yīng)性和較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行壽命，是保證整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。因此，結(jié)合通風(fēng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，選用了SIMATIC S7-200系列的PLC控制模塊，其結(jié)構(gòu)包括CPU模塊、存儲(chǔ)卡、通訊接口、輸入/輸出端口、I/O接口、電源接口等部分[4]。PLC的結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。其中，CPU模塊的數(shù)字量輸入為24路，數(shù)字量輸出為16路，接口采用了2個(gè)RS-485進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體具有較快的處理速度；PLC中的以太網(wǎng)模塊主要采用了CP243-1型號(hào)，可實(shí)現(xiàn)與上機(jī)位的數(shù)據(jù)交互，工作電壓采用24 VDC，接口采用RS45，整體的傳輸速度達(dá)到了10/100 Mbit/s，可通過(guò)STEP7編程界面進(jìn)行程序的修改與更新。由此，完成了PLC控制模塊的匹配設(shè)計(jì)。

圖1 PLC控制模塊結(jié)構(gòu)框架圖

圖2 變頻器現(xiàn)場(chǎng)布局圖

2.2 變頻器匹配設(shè)計(jì)

現(xiàn)有井下通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，一般配備了2臺(tái)通風(fēng)機(jī)設(shè)備，分別為主通風(fēng)機(jī)、輔助通風(fēng)機(jī)，每臺(tái)通風(fēng)機(jī)一般分為單級(jí)運(yùn)行及多級(jí)運(yùn)行。因此，在每臺(tái)通風(fēng)機(jī)前面安裝了1個(gè)變頻器，總共包括4個(gè)，具體結(jié)構(gòu)布局圖如圖2所示。要求電機(jī)在運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)同時(shí)啟動(dòng)及停止等操作命令，其變頻器也需滿足此操作命令要求[5]。因此，變頻器選用了ABB公司生產(chǎn)的ACS800-04P型號(hào)，該變頻器主要由系統(tǒng)儲(chǔ)能、整流、逆變及電氣控制等部分組成，整體具有設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、程序可編輯、控制精度高、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，外界的較大電壓輸入至變頻器中，經(jīng)過(guò)變頻器內(nèi)部的整流、逆變等操作，最終轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)負(fù)載需要的交流電源，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 通信參數(shù)通信設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，存在較多不同類型的通信參數(shù)，主要包括PLC中的CPU與變頻器、PLC中模擬量模塊、溫度巡檢儀、電量模塊等部件之間的通信參數(shù)，這些通信參數(shù)以485+、585-為主，通過(guò)Modus總線進(jìn)行通訊連接；另一部分通訊參數(shù)則包括上機(jī)位工控機(jī)與上機(jī)位軟件之間的通信參數(shù)，主要通過(guò)以太網(wǎng)通訊模塊進(jìn)行以太網(wǎng)通訊連接，較好地實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)內(nèi)部的通訊設(shè)計(jì)[6]，保證了通信信號(hào)能滿足通風(fēng)機(jī)的控制需求。通風(fēng)機(jī)通訊連接網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。

圖3 通風(fēng)機(jī)通訊連接網(wǎng)絡(luò)圖

3.2 PID閉環(huán)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

由于井下生產(chǎn)環(huán)境為一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量及通風(fēng)阻力將隨井下環(huán)境的變化而發(fā)生變化。因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的有效控制，對(duì)該系統(tǒng)采取了PID調(diào)節(jié)控制。PID調(diào)節(jié)控制是一個(gè)閉環(huán)控制算法，涉及了積分、微分、比例等計(jì)算方式[7]。其中，在該P(yáng)ID閉環(huán)算法中，首先對(duì)通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將其與設(shè)置的通風(fēng)量閥值進(jìn)行對(duì)比判斷。當(dāng)采集的通風(fēng)量達(dá)到了預(yù)設(shè)的風(fēng)量閥值，系統(tǒng)則保持不變，不采取信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)；當(dāng)采集值未達(dá)到預(yù)定值時(shí)，控制系統(tǒng)將通過(guò)PID進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使其達(dá)到目標(biāo)值。該P(yáng)ID閉環(huán)調(diào)節(jié)的原理圖如圖4所示。

圖4 PID閉環(huán)調(diào)節(jié)原理圖

4 應(yīng)用效果分析

綜上分析，建立了礦用通風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)。為保證后期系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性，對(duì)該控制系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行了將近2個(gè)月的應(yīng)用測(cè)試研究，主要將該控制系統(tǒng)安裝在FBD型通風(fēng)機(jī)上。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，能對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，整套系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定可靠，且所設(shè)計(jì)的PID能更加全面、準(zhǔn)確地完成對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制；同時(shí)，該控制系統(tǒng)也能針對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的風(fēng)壓過(guò)高、電機(jī)溫度過(guò)高、設(shè)備振動(dòng)幅度較大等故障問(wèn)題及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，并通過(guò)上機(jī)位工控機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和采集對(duì)應(yīng)控制措施。該系統(tǒng)的運(yùn)用，使通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率提高了約35%，降低了設(shè)備的故障概率和設(shè)備故障成本的支出，得到了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的一致好評(píng)。由此，驗(yàn)證了該礦用通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用效果，可進(jìn)行市場(chǎng)推廣應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

不斷提升礦用通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)效率，加大對(duì)通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)控制性能的提升研究，是當(dāng)下煤礦企業(yè)關(guān)注的重要內(nèi)容。因此，在通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成分析基礎(chǔ)上，開(kāi)展了控制系統(tǒng)中硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，并將其在FBD型通風(fēng)機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能更加齊全、運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，使通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率提高了約35%，能更好地滿足礦用通風(fēng)機(jī)的使用需求，大大降低了通風(fēng)機(jī)設(shè)備的故障概率及維修費(fèi)用支出，得到了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的一致好評(píng)。整套系統(tǒng)具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。