弋晨晨

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦技術(shù)科， 山西 大同 037016）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)井下安全開采有重要影響，目前，礦井主通風(fēng)機(jī)主要采用模擬儀表對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要工作人員定時(shí)去現(xiàn)場(chǎng)抄寫表上數(shù)據(jù)，而且通風(fēng)系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量等關(guān)鍵參數(shù)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容不全，監(jiān)測(cè)結(jié)果不精確[1-2]。因此，要建立一套完整的自動(dòng)控制通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選用FBCDZ No.28/2200 系列的通風(fēng)機(jī)，通過設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)性能、參數(shù)以及運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。

1 通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體要求

設(shè)計(jì)通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，要滿足以下要求：能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主通風(fēng)機(jī)電機(jī)、變頻器等運(yùn)行參數(shù)，通過上位機(jī)監(jiān)控畫面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，具有數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警和記錄等功能；能控制主通風(fēng)機(jī)高低壓開關(guān)柜的開閉，對(duì)通風(fēng)機(jī)的電機(jī)繞組溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)，系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；能控制通風(fēng)機(jī)的啟停；能同時(shí)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)、遠(yuǎn)程控制。

2 通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括主站上位機(jī)模塊、PLC下位機(jī)模塊、傳感器模塊、電量監(jiān)測(cè)模塊以及風(fēng)速監(jiān)測(cè)模塊等，其總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

主站上位機(jī)模塊包括UPS、打印機(jī)和計(jì)算機(jī)，主要是對(duì)監(jiān)控的通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、風(fēng)門狀態(tài)、風(fēng)機(jī)啟停等進(jìn)行顯示，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和查詢。

PLC 下位機(jī)模塊包括電源、CPU、輸入輸出單元、通信單元等，主要采用西門子S7-300 可編程控制器，該控制器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能在各種復(fù)雜的工況下工作，系統(tǒng)配置合理，操作維護(hù)方便，能滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。

現(xiàn)場(chǎng)傳感器模塊主要包括壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等傳感器，將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，然后傳輸給CPU。為了減少傳輸過程中的誤差，提高監(jiān)測(cè)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用有變送器、標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào) 4～20 mA、電壓信號(hào) 0～5 V 的傳感器，現(xiàn)場(chǎng)使用二線制RVVP 電纜進(jìn)行單獨(dú)傳輸信號(hào)。

電量監(jiān)測(cè)模塊應(yīng)用電磁隔離和光電隔離技術(shù)，采用EDA9033 型電量監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流輸入輸出的完全隔離，使用TCP/IP 協(xié)議連接電量監(jiān)測(cè)模塊和PLC 模塊，采集三相電流和三相電壓、功率等數(shù)據(jù)[3]。

風(fēng)速監(jiān)測(cè)模塊是通過測(cè)量風(fēng)道上下側(cè)的壓差來進(jìn)行監(jiān)測(cè)，氣流通過局部變截面時(shí)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)量損失壓差，風(fēng)量信號(hào)的大小與氣流的紊亂和局部變化有關(guān)，采用高精度的測(cè)速儀表來測(cè)量不同工況下的風(fēng)量大小，通過監(jiān)測(cè)局部變化產(chǎn)生的靜壓差來確定風(fēng)量與差壓的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的在線監(jiān)測(cè)。

3 通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的硬件主要使用的是PLC 模塊，由于PLC 具有多輸入多輸出、體積小、能耗低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能滿足井下復(fù)雜的工作環(huán)境。西門子系列的PLC 基本組成如下頁圖2 所示。

通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各類現(xiàn)場(chǎng)傳感器模塊是將各自采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA 的直流電流信號(hào)和0～5 V 的直流電壓信號(hào)；溫度測(cè)量模塊用來采集工作中主通風(fēng)機(jī)的溫度信號(hào)；電量測(cè)量模塊用來采集開關(guān)柜的功率信號(hào)，通過RS485 接口與計(jì)算機(jī)通訊；PLC 可編程控制器包括開關(guān)量和模擬量輸入輸出模塊，其中，模擬量輸入輸出模塊用來采集主通風(fēng)機(jī)的壓力、振動(dòng)、頻率信號(hào)，開關(guān)量輸入輸出模塊用來采集輔助開關(guān)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)總線采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊來連接。在計(jì)算機(jī)接收到控制指令后，通過PLC 開關(guān)量輸出模塊，將信號(hào)輸出給中間繼電器，通過繼電器將信號(hào)輸入到電機(jī)和控制回路中，驅(qū)動(dòng)各個(gè)控制對(duì)象來運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，通過PLC 模擬量輸出模塊，給定變頻器頻率，通過在線調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)能耗的降低[4]。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及系統(tǒng)組成

3.2 軟件設(shè)計(jì)

通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分采用結(jié)構(gòu)化編程的方法來編寫，為了實(shí)現(xiàn)通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)，將整個(gè)系統(tǒng)軟件部分分成若干個(gè)子系統(tǒng)，總系統(tǒng)按照控制順序調(diào)用各個(gè)子系統(tǒng)，系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3 所示，設(shè)置有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，在手動(dòng)模式下，通過手動(dòng)控制程序來實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，在自動(dòng)模式下，判斷1 號(hào)主通風(fēng)機(jī)是否啟動(dòng)，如果啟動(dòng)，通過控制風(fēng)門，選擇控制模式，給定變頻器頻率驅(qū)動(dòng)主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行，同時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的參數(shù)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與給定數(shù)據(jù)比較，在出現(xiàn)故障時(shí)，要先將故障排除，從而實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的子程序主要包括主通風(fēng)機(jī)控制子程序、PID 調(diào)節(jié)子程序、供電系統(tǒng)控制子程序、模擬量采集子程序等，以風(fēng)量調(diào)節(jié)為例，對(duì)風(fēng)量的PID 調(diào)節(jié)子程序如圖4 所示，在對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，首先給主通風(fēng)機(jī)設(shè)定風(fēng)量初始值，然后讀取控制器反饋的風(fēng)量值，將反饋值與初始值進(jìn)行求差，得到偏差值，在PID 控制器的作用下，計(jì)算出工作所需的風(fēng)量。

圖3 軟件流程圖

圖4 風(fēng)量PID 調(diào)節(jié)流程圖

4 應(yīng)用效果

將通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用在井下開采過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)的通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，真實(shí)地反映了井下通風(fēng)機(jī)的工作狀況，采集和監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性較高，為井下工作人員提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)采取措施進(jìn)行補(bǔ)救，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度大大提高，井下通風(fēng)安全性能得到改善，同時(shí)，監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提升系統(tǒng)的數(shù)字化和自動(dòng)化水平。

5 結(jié)論

1）對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，從軟硬件設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行分析，通過比較測(cè)量值與給定值，及時(shí)調(diào)節(jié)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

2）將通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用在井下開采工作中，結(jié)果表明，通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能真實(shí)地反應(yīng)井下通風(fēng)機(jī)的工作狀況，采集和監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性較高，系統(tǒng)的自動(dòng)化水平明顯提高。