劉偉

【摘 要】利用西門子S7-300系列PLC，結(jié)合變頻器開發(fā)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)上位機(jī)利用臺(tái)達(dá)觸摸屏，系統(tǒng)控制算法利用主通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓與風(fēng)量的關(guān)系實(shí)現(xiàn)PID控制，通過對(duì)變頻器的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)煤礦通風(fēng)機(jī)的可靠、平穩(wěn)運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】PLC;變頻調(diào)速;通風(fēng)機(jī);變頻器;觸摸屏

在煤礦生產(chǎn)過程中，為了獲得新鮮空氣的補(bǔ)充，需要利用通風(fēng)機(jī)進(jìn)行空氣循環(huán)，從而為井下提供安全的環(huán)境。通常，通風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境條件比較差，并且需要長時(shí)間地工作，通風(fēng)機(jī)功率較大，導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障。

針對(duì)上述通風(fēng)機(jī)故障問題，本文提出了一種利用PLC、結(jié)合變頻器實(shí)現(xiàn)的通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)，通過利用實(shí)時(shí)監(jiān)測的通風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓等系統(tǒng)參數(shù)，經(jīng)過系統(tǒng)軟件計(jì)算以后對(duì)變頻器轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到目前所需要的最優(yōu)狀態(tài)，在實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能的同時(shí)降低系統(tǒng)的故障率。另外，通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

一、控制系統(tǒng)整體方案

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件主要包括 PLC、變頻器、傳感器、臺(tái)達(dá)觸摸屏等?？刂葡到y(tǒng)核心部分采用西門 子 S7- 300系列 PLC;變頻控制部分采用西門子 MM430 型號(hào)的變頻器;另外，需要利用傳感器對(duì)通風(fēng)機(jī)的風(fēng) 量、風(fēng)壓進(jìn)行監(jiān)測;為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制，本文采 用臺(tái)達(dá)觸摸屏作為人機(jī)交界面互實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。PLC與變頻器之間采用一路串口通信，PLC與觸摸屏之間采用另一路串口通信。

（一）系統(tǒng)控制功能

1.手動(dòng)控制。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)同樣設(shè)計(jì)有手動(dòng)控制方式，在需要對(duì)旁路變頻器進(jìn)行人為控制運(yùn)行時(shí)可以選擇手動(dòng)控制。手動(dòng)控制需要在觸摸屏進(jìn)行設(shè)置，而且需要現(xiàn)場操作人員確認(rèn)。觸摸屏選擇手動(dòng)控制以后就會(huì)發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)到 PLC，PLC 與變頻器進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、加速、減速、停止控制。

2.全自動(dòng)控制。當(dāng)系統(tǒng)選擇為全自動(dòng)運(yùn)行方式時(shí)，PLC 根據(jù)現(xiàn)場通風(fēng)機(jī)監(jiān)測傳感器監(jiān)測到的實(shí)時(shí)信號(hào)，包括風(fēng)壓、風(fēng)量信息，計(jì)算當(dāng)前所需要的風(fēng)量，并計(jì)算出當(dāng)前通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的速度，通過與變頻器通信實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器輸出頻率的調(diào)整。

3.系統(tǒng)自診斷。在投入使用之前，變頻控制系統(tǒng)根據(jù)各部分傳感器監(jiān)測到的信號(hào)做出判斷，當(dāng)無法滿足啟動(dòng)要求時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出故障信號(hào)，同時(shí)在觸摸屏顯示故障內(nèi)容，通知操作人員進(jìn)行處理。

通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向? 轉(zhuǎn)速控制：

a）正反轉(zhuǎn)控制。在正常工作狀態(tài)下，通風(fēng)機(jī)為正向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)礦井的通風(fēng);當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到礦井發(fā)生火災(zāi)事故后，需要控制通風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)，通過觸摸屏與礦井中的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)換，同時(shí)在觸摸屏顯示當(dāng)前通風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。

b）瓦斯聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)。礦井中的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)同樣與觸摸屏進(jìn)行通信。當(dāng)瓦斯?jié)舛冗^高時(shí)， 報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，觸摸屏發(fā)出轉(zhuǎn)速提高信號(hào)，使礦 井通入的空氣量增大，降低瓦斯的濃度，保證生產(chǎn)環(huán) 境安全。

（二）通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速原理

通風(fēng)機(jī)電機(jī)為異步電機(jī)，因此其轉(zhuǎn)速與供電電源頻率間的關(guān)系可以用公式可以看出，改變通風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率、電機(jī)極對(duì)數(shù)，或者改變通風(fēng)機(jī)供電電源頻率，都可以 使通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變。通常，改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)及轉(zhuǎn)差 率較為困難，改變供電電源頻率比較容易實(shí)現(xiàn)，并且 可以實(shí)現(xiàn)平滑變化。

（三）PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用的控制器是西門子 S7- 300 系列 PLC，CPU 型號(hào)為 314IFC。PLC 與變頻器通信采用串口通信，PLC 作為主機(jī)，變頻器作為從機(jī)，PLC 將控制信號(hào)發(fā)送到變頻器，變頻器根據(jù) PLC 發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向的控制數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

二、PLC 程序和觸摸屏程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過各種傳感器、變送器和輔助開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場信號(hào)的采集。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際指標(biāo)、環(huán)境條件等來選擇監(jiān)測器件。西門子 S7- 300 系列 PLC 接收壓力變送器測量的 4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)過程序運(yùn)算后，輸出對(duì)應(yīng)變頻器的頻率控制信號(hào)，從而控制礦井道的通風(fēng)量。傳感器通過對(duì)應(yīng)的變送器實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、溫度等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的監(jiān)測，然后通過西門子 S7- 300 系列 PLC 進(jìn)行程序處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)主通風(fēng)機(jī)的有效控制。通風(fēng)機(jī)軸 承溫度、電機(jī)軸承溫度的測量等，采用PT100 鉑電阻和溫度變送器，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為 4～20 mA 的電流信號(hào);選用 0～30 mm 位移傳感器測量軸承的水平振動(dòng)和垂直振動(dòng)，其輸出信號(hào)為 4～20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào); 選用負(fù)壓傳感器測量井下通風(fēng)巷道負(fù)壓的變化情況， 測量范圍為 0～5 kPa;通過各輔助開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量信號(hào)的采集。

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)：

（一）PLC 程序設(shè)計(jì)

通過PLC 輸出的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的控制。在手動(dòng)控制模式下，通過觸摸屏界面選擇對(duì)應(yīng)的控制按鈕發(fā)送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)加速、減速、停機(jī)等的控制。在全自動(dòng)控制模式下PLC采用 PID控制算法。

利用 PLC 內(nèi)部系統(tǒng)函數(shù)實(shí)現(xiàn) PIE 控制，主要實(shí)現(xiàn)過程如下：

利用 BOOL 型輸入?yún)?shù) COM_RST 對(duì) PID 進(jìn)行重新啟動(dòng)，BOOL 型參數(shù) MAN_ON 可以實(shí)現(xiàn)對(duì) PIT 算法的手動(dòng)復(fù)位，當(dāng)該數(shù)值為 1 時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出值等于輸入值。PID：CYCLE：TIME：PID 表示 PID 算法對(duì)輸入信號(hào)的采樣周期;GAIN 為實(shí)型數(shù)據(jù)，表示的是 PID 算法的比例增益;TI：PID 表示算法的積分時(shí)間參數(shù);TD：PID 表示算法的微分時(shí)間參數(shù)。輸出參數(shù)包括 LMN，是實(shí)型參數(shù)，表示的是 PID 算法的輸出值。

（二）觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸屏主界面顯示PLC當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、軸溫等數(shù)據(jù);同時(shí)具有歷史數(shù)據(jù)查詢功 能，可以將當(dāng)前系統(tǒng)的各物理量利用數(shù)據(jù)圖予以顯示。隨著回采結(jié)束，圍巖變形速率顯著降低，在監(jiān)測接近 尾聲時(shí)，圍巖變形量趨于穩(wěn)定，變形速率在 0.01 mm/d 以內(nèi)。這表明，采用優(yōu)化后的巷道圍巖支護(hù)方案，可 以有效應(yīng)對(duì)斷層作用下圍巖破碎、鄰近采面動(dòng)壓影響， 圍巖控制取得了顯著的效果，可以確保巷道后續(xù)的使 用安全。

三、結(jié)束語

盤區(qū)運(yùn)輸巷采用原支護(hù)方案圍巖變形較大，主要原因是掘進(jìn)范圍內(nèi)受 DF113、DF121和 DF1263條斷層影響，圍巖較為破碎，加之鄰近回采工作面采動(dòng)動(dòng)壓作 用，巷道原采用的架棚支護(hù)不能抵抗圍巖應(yīng)力，造成 巷道斷面收縮量較大，給巷道正常使用帶來不利影響;|

a）針對(duì)巷道圍巖破碎及動(dòng)壓影響，提出采取以錨注為核心的圍巖支護(hù)優(yōu)化措施，支護(hù)后圍巖變形量控制在446 mm 以內(nèi)，圍巖變形得以顯著控制，確保了巷道的使用安全;c） 巷道掘進(jìn)至不受動(dòng)壓影響且圍巖較為完整的區(qū)域時(shí)，可以繼續(xù)采取原支護(hù)措施。

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