李 陽

（山西潞安集團潞寧煤業(yè)公司，山西忻州 036000）

0 引言

煤礦作為我國重要的能源之一，關(guān)系著國民經(jīng)濟的發(fā)展。井下采礦作業(yè)中，有諸多影響生產(chǎn)安全的重要因素，而保證井下良好通風(fēng)乃重中之重[1]。而礦用通風(fēng)機便是保證井下通風(fēng)的關(guān)鍵設(shè)備，擔(dān)任著向井下輸送新鮮空氣的重任，還能夠?qū)⒎蹓m和有害氣體排出。通風(fēng)機一旦發(fā)生故障，井下有害氣體濃度升高，且氧氣不足，將直接影響人身安全?？梢娕鋫湟惶追€(wěn)定可靠的通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)十分關(guān)鍵[2]。然而，目前市場上的礦用通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)太過簡單，監(jiān)控范圍不全面，監(jiān)控力度較弱，還滿足不了煤礦生產(chǎn)的發(fā)展需求。改變原有監(jiān)控的模式，不斷提高礦用通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控水平，才能真正地保證井下作業(yè)的安全運行。如今，在科技不斷發(fā)展的成果下，礦用設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)逐步成熟且有很好的效果，監(jiān)控系統(tǒng)方面都采用先進的傳感器技術(shù)，搭配成熟的計算機技術(shù)，達到了在線實時監(jiān)測等多項功能，這也將是礦用通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 礦用通風(fēng)機系統(tǒng)

礦用通風(fēng)系統(tǒng)是通風(fēng)方式、通風(fēng)方法和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的總稱，通風(fēng)系統(tǒng)主要由通風(fēng)機和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)組成[3]。礦井通風(fēng)系統(tǒng)利用各種通風(fēng)設(shè)備，將地表面空氣按著既定路線源源不斷地送到井下，同時將井下渾濁的空氣排到地面，還要嚴格保證井下各類有害氣體濃度被相關(guān)標準所允許。此外，通風(fēng)系統(tǒng)還可以調(diào)節(jié)井下溫度，改善井下工作環(huán)境。

礦用主通風(fēng)系統(tǒng)具體包括了通風(fēng)機、風(fēng)門、風(fēng)井等，其中主通風(fēng)機是核心部件，自然也是監(jiān)控系統(tǒng)的首要對象。主通風(fēng)機主要分為離心式和軸流式兩種[4]。

（1）離心式通風(fēng)機結(jié)構(gòu)簡單、造價低、容易維修，但體積大，且不能直接連接電動機。特性曲線平穩(wěn)，常用于風(fēng)量變化大但阻力變化小的礦井；風(fēng)量調(diào)節(jié)方面，多利用閘門進行風(fēng)量調(diào)節(jié)，但成本高，且操作麻煩；反風(fēng)方面，沒有反風(fēng)道則無法反風(fēng)；聯(lián)合運轉(zhuǎn)方面，多臺并聯(lián)使用具有較高的穩(wěn)定性[5]。

（2）軸流式通風(fēng)機結(jié)構(gòu)緊湊、體積小且輕、高轉(zhuǎn)速，可以直接相連電動機，因此具有較高的傳動效率，但這種類型的通風(fēng)機機構(gòu)較復(fù)雜，且各零部件都裝在機殼內(nèi)，導(dǎo)致檢、維修不便[6]。高轉(zhuǎn)速也導(dǎo)致個別零部件易損壞，故障較多且噪聲大，需配備消音設(shè)備。特性曲線較陡，因而適合阻力變化大且風(fēng)量變化小的礦井；改變?nèi)~片的安裝角度、級數(shù)、數(shù)量和倒流器等方法可以調(diào)節(jié)風(fēng)量，簡單可行，經(jīng)濟性能較好。與離心式相反，多臺并聯(lián)運行穩(wěn)定性較差。

2 通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 PLC的選擇

PLC的選擇原則：（1）估算I/O點數(shù)時應(yīng)有足夠的余量備用；（2）適當?shù)拇鎯ζ魅萘?；?）具有運算、控制和通信等功能?；谶@些原則，本文選擇西門子旗下的S7-300系列PLC，是一款模塊化的成熟PLC，能夠滿足通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)的基本需求[7]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S7-300系列PLC的結(jié)構(gòu)

S7-300主要功能：（1） 快速處理指令，約 0.1～0.6 μs；（2）優(yōu)秀的界面，集成了人機界面，使得操作方便快捷；（3）具有診斷功能，能夠監(jiān)控通風(fēng)機系統(tǒng)的功能是否正常運行；（4）多級口令保護，能有效防止機密泄漏和程序篡改。

2.2 各功能模塊的實現(xiàn)

（1）輸入模塊

S7-300的PLC自帶的數(shù)字量輸入模塊即可將變送器采集的電平形式的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為PLC所需的內(nèi)部信號電平。

（2）輸出模塊

S7-300的PLC所帶數(shù)字量輸出模塊將輸出0-1的開關(guān)信號并以此來驅(qū)動負載，同時還具有隔離和功率放大功能。

（3）通信模塊

S7-300所帶CP340通信模塊，該模塊與其余的綜合保護裝置通過接口RS485完成問答式的通信過程。

（4）CPU模塊

根據(jù)整個系統(tǒng)所需要的電流和功耗，本文選擇CPU314C-DP的CPU模塊，它具有兩種通訊端口MPI和DP。

（5）電源模塊

該模塊的額定輸出功率必須大于其他所有模塊所消耗功率的總和，并保證大約30%的余量，綜合考慮本文選擇PS307 10A這款電源模塊。

3 通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

運用于S7-300相配套的編程軟件STEP7進行監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計，該軟件通用于現(xiàn)有計算機系統(tǒng)，且支持多種語言和方式，多項功能也為軟件設(shè)計帶來了極大的方便[8]：（1）適用于各個控制系統(tǒng)，可用于管理所有數(shù)據(jù)；（2）能夠管理共享符號，并支持導(dǎo)入、導(dǎo)出和編輯；（3）多項硬件組態(tài)功能，例如可編輯的控制器、賦值操作等；（4）多種編輯語言，LAD、STL、FBD等；（5）診斷功能，指示各個模塊是否運行正常。

圖2所示為監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖，以下主要介紹通風(fēng)機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路。通風(fēng)機的控制部分涵蓋了PLC控制和電氣控制，硬件部分則是變頻器、風(fēng)機、管道及傳感器等。首先變頻器帶動主通風(fēng)機啟動，傳感器獲取管道中的壓力信號，再途經(jīng)計算控制變頻器，最終送至控制系統(tǒng)。傳感器傳遞的信號到達上位機系統(tǒng)會進行相應(yīng)計算，這時PID控制系統(tǒng)會向PLC傳遞相應(yīng)的信號。而PLC得到數(shù)模模塊轉(zhuǎn)化后的電信號，便能對變頻器的啟停以及頻率進行控制，這就是對通風(fēng)機電壓和頻率控制的實現(xiàn)，進而就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的控制。這一系列控制組成了通風(fēng)機的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，將實時控制和監(jiān)控主通風(fēng)機，以最終滿足井下的通風(fēng)要求。例如當管路中流量過大時會造成管路的壓力過大，閉環(huán)反饋系統(tǒng)將向變頻器發(fā)出一個信號，要求減少通風(fēng)機的輸出，并隨即降低通風(fēng)機的電壓和頻率，這便達到了降低管路流量和壓力的目的，從而達到流量和壓力的平衡，相反流量和壓力過小也遵循此反饋流程。實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)通風(fēng)機閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)是使礦用通風(fēng)始終保持在正常的安全水平，達到保障井下安全的目的。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

通風(fēng)機是保證煤礦作業(yè)安全的核心設(shè)備，其運行情況關(guān)系著生產(chǎn)與人身安全，因此可靠有效地監(jiān)控通風(fēng)機十分重要且必要。本文所研究的監(jiān)控系統(tǒng)集合了先進的傳感器、變送器等裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)機和關(guān)聯(lián)設(shè)備的實時監(jiān)控。結(jié)合通風(fēng)機的工作運行情況和井下作業(yè)環(huán)境的需求，設(shè)計了一款基于S7-300系列PLC的礦用通風(fēng)機能監(jiān)控系，主要分析研究了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，通過硬件選擇和軟件設(shè)計實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)各個模塊的功能，并搭載了人機界面，具有優(yōu)良的可操作性和實用性，使得通風(fēng)機的監(jiān)控更加直觀有效。這一系統(tǒng)可以提高礦用通風(fēng)機的自動化水平，提升了井下的作業(yè)安全，為煤礦生產(chǎn)保駕護航。