李 陽
(山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)公司,山西忻州 036000)
煤礦作為我國重要的能源之一,關(guān)系著國民經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)的傳感器技術(shù),搭配成熟的計算機(jī)技術(shù),達(dá)到了在線實時監(jiān)測等多項功能,這也將是礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
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(jī)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(yán)格保證井下各類有害氣體濃度被相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)、風(fēng)門、風(fēng)井等,其中主通風(fēng)機(jī)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(jī)主要分為離心式和軸流式兩種[4]。
(1)離心式通風(fēng)機(jī)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(jī)。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(jìn)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(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小且輕、高轉(zhuǎn)速,可以直接相連電動機(jī),因此具有較高的傳動效率,但這種類型的通風(fēng)機(jī)機(jī)構(gòu)較復(fù)雜,且各零部件都裝在機(jī)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(jì)性能較好。與離心式相反,多臺并聯(lián)運行穩(wěn)定性較差。
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(dāng)?shù)拇鎯ζ魅萘?;?)具有運算、控制和通信等功能。基于這些原則,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(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)的功能是否正常運行;(4)多級口令保護(hù),能有效防止機(jī)密泄漏和程序篡改。
(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(fù)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(hù)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。
運用于S7-300相配套的編程軟件STEP7進(jìn)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(jī)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(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路。通風(fēng)機(jī)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(jī)、管道及傳感器等。首先變頻器帶動主通風(fēng)機(jī)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(dá)上位機(jī)系統(tǒng)會進(jìn)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(jìn)行控制,這就是對通風(fēng)機(jī)電壓和頻率控制的實現(xiàn),進(jìn)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(jī)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(jī),以最終滿足井下的通風(fēng)要求。例如當(dāng)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(jī)的輸出,并隨即降低通風(fēng)機(jī)的電壓和頻率,這便達(dá)到了降低管路流量和壓力的目的,從而達(dá)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(jī)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(dá)到保障井下安全的目的。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
通風(fēng)機(jī)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(jī)十分重要且必要。本文所研究的監(jiān)控系統(tǒng)集合了先進(jìn)的傳感器、變送器等裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)機(jī)和關(guān)聯(lián)設(shè)備的實時監(jiān)控。結(jié)合通風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)界面,具有優(yōu)良的可操作性和實用性,使得通風(fēng)機(jī)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(jī)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(hù)航。