王 偉

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030053）

引言

中國煤炭資源豐富，主要分布在我國山西、內(nèi)蒙古、陜西等地，整體分布不均。據(jù)統(tǒng)計，我國煤炭資源儲量占據(jù)世界煤炭資源儲量的1/3。隨著清潔能源等不斷發(fā)展，核能、風(fēng)能、太陽能等得到了廣泛的應(yīng)用，但由于我國能源需求量巨大，清潔能源僅是杯水車薪，所以煤炭資源仍是我國國民生產(chǎn)最重要的保障。隨著開采年限的不斷增加，我國淺埋的煤層逐步開采殆盡，目前開采的重點(diǎn)逐步向著深部煤層進(jìn)行[1-2]。在煤礦開采過程中，通風(fēng)機(jī)是礦井正常開采重要的機(jī)械設(shè)備，其主要是將井下污濁空氣進(jìn)行排除并向井下輸入新鮮空氣，所以其能否安全可靠的運(yùn)行對于礦井正常安全生產(chǎn)十分重要[3-4]，本文基于PLC 冗余技術(shù)對通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，有效提升通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

在進(jìn)行主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計時，需要充分考慮安全可靠的原則，由于井下傳感器數(shù)量重多，如果系統(tǒng)顯示的信息量無法實(shí)時的更新時，此時將會出現(xiàn)信號滯后的問題，此時操作人員可能會對信息做出錯誤的判斷，所以在組建系統(tǒng)時應(yīng)當(dāng)充分考慮此問題，提升系統(tǒng)的集成可靠程度。同時系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計時需要考慮控制權(quán)限優(yōu)先級的問題，使得系統(tǒng)做到分散控制集中管理。最后設(shè)計的系統(tǒng)需要具備良好的兼容性及可擴(kuò)展性，便于后期系統(tǒng)設(shè)備的增加。在充分考慮分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及以太網(wǎng)控制系統(tǒng)后選定成本相對低廉、相應(yīng)速度較快、兼容性較好的以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。首先進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)框架的構(gòu)件，由于系統(tǒng)中電機(jī)、風(fēng)門、傳感器等眾多，所以選定CP340 進(jìn)行模擬量的采集，系統(tǒng)通過兼容的通訊信號，通過輪詢的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以以太網(wǎng)為保障避免數(shù)據(jù)的滯后問題，同時選定S7300可編程控制器，上位機(jī)選定為組態(tài)王，保證顯示具有穩(wěn)定性。

對監(jiān)控系統(tǒng)的功能進(jìn)行設(shè)計，首先監(jiān)控系統(tǒng)需要對現(xiàn)場進(jìn)行就地控制，對系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行就地的急停急啟，同時系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)自動控制，利用PLC 控制柜為基礎(chǔ)對系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析，為了保障系統(tǒng)可靠性，采用冗余設(shè)置，當(dāng)一個系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，備用系統(tǒng)及時啟動。

為了實(shí)現(xiàn)不停風(fēng)自動倒機(jī)功能，解決由于倒機(jī)造成的瓦斯超限問題，所以本系統(tǒng)采用不停風(fēng)自動倒機(jī)模式，在傳統(tǒng)的倒機(jī)模式基礎(chǔ)上增加水平風(fēng)門，當(dāng)系統(tǒng)符合自動倒機(jī)模式時，PLC 控制器會發(fā)出自動倒機(jī)命令，實(shí)現(xiàn)自動倒機(jī)，增加水平風(fēng)門的通風(fēng)通路如圖1 所示。

圖1 增加水平風(fēng)門的通風(fēng)通路圖

功能報警同樣是系統(tǒng)必不可少的一個功能，通風(fēng)系統(tǒng)的報警一般可以分為風(fēng)機(jī)的軸承溫度、風(fēng)機(jī)振動、風(fēng)機(jī)的負(fù)壓等方面報警，傳感器通過收集異常信號傳輸至PLC 端，及時發(fā)出報警。

2 硬件、軟件設(shè)計及現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

2.1 硬件設(shè)計

完成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析后對模型的硬件進(jìn)行分析設(shè)計，首先對可編程的控制器進(jìn)行選型，考慮到經(jīng)濟(jì)性、合理性的選定CPU315-2PN/DP 為系統(tǒng)的控制器，CPU315-2PN/DP 控制器能夠支持2 048 個M 存儲字節(jié)，同時其內(nèi)部嵌入微型處理器，可搭建32 模塊的控制系統(tǒng)，控制器用于兩個以太網(wǎng)接口，能夠支持PG/OP、TCP/IP、S7 通信。

對傳感器進(jìn)行選型，考慮到礦井井下氣溫較低，所以系統(tǒng)選定具有抗震防凍的6233C-10 振動傳感器，系統(tǒng)的壓力傳感器選定為量程為0～2 kPa 的1151DP 型壓力傳感器。為了對系統(tǒng)風(fēng)機(jī)軸承等部位的溫度進(jìn)行檢測，選定PT100 電阻傳感器。同時系統(tǒng)需要對風(fēng)機(jī)的電壓、功率、電流等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以本文選定電壓量程0～100 V，電流量程為0～5 A的EDA9033A 電參數(shù)模塊，采集的信號經(jīng)過RS485總線傳輸至PLC 控制器，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存。

對系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立，由于通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)量巨大，所以極易出現(xiàn)信號的丟失問題，因此系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)暮喕?，且要保證模塊間的兼容性較好，所以設(shè)計如圖2 所示的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖2 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖2 可以看出，系統(tǒng)采用以太網(wǎng)為通信基礎(chǔ)，對遠(yuǎn)處的集中監(jiān)控層和現(xiàn)場的控制層及總站通過工業(yè)交換機(jī)進(jìn)行連接，形成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，操作人員通過對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控就能夠?qū)崟r了解現(xiàn)場通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，當(dāng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯誤時，此時系統(tǒng)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，所以其中一項(xiàng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時，不會影響整體運(yùn)行。

2.2 軟件設(shè)計

對風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的PLC 軟件進(jìn)行設(shè)計，首先對控制器的程序進(jìn)行設(shè)定，程序包含著初始化程序、數(shù)據(jù)通訊程序、主備系統(tǒng)程序及報警程序等。PLC 控制器的結(jié)構(gòu)程序示意圖如圖3 所示。

圖3 PLC 控制器的結(jié)構(gòu)程序示意圖

主備切換程序AB 相互交換信息，系統(tǒng)A 中的數(shù)據(jù)將會備份至B 站中，B 站隨時監(jiān)測A 站的運(yùn)行情況，當(dāng)A 站的CPU 出現(xiàn)問題時，此時B 站監(jiān)測到后立即接替A 站的工作，在A 站正常運(yùn)行時，B 站處于準(zhǔn)備狀態(tài)，隨著準(zhǔn)備接替。其在工作中可以監(jiān)測的故障分別有冗余電源的損壞、數(shù)據(jù)通訊線連接問題、控制器癱瘓等，系統(tǒng)除了可以自動切換外還能夠?qū)崿F(xiàn)人工自動切換，當(dāng)進(jìn)行A 站檢修時，可以手動切換，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

系統(tǒng)的人機(jī)界面是人與系統(tǒng)交流的核心部件，設(shè)計將風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)布置兩個組態(tài)畫面，其中一個作為監(jiān)控組態(tài)畫面，另一個為觸摸屏的顯示界面，用于只展示系統(tǒng)的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)圖、設(shè)備的運(yùn)輸狀態(tài)及風(fēng)機(jī)運(yùn)行的各種參數(shù)。人機(jī)界面設(shè)置有報警查詢界面，其不僅可以實(shí)現(xiàn)報警來源查詢，還可以查詢報警的時間，同時系統(tǒng)可以將振動報警、溫度報警及其他報警形式進(jìn)行分別管理，報警查詢的原理機(jī)制圖如圖4 所示。

圖4 報警查詢的原理機(jī)制圖

由圖4 可以看出，系統(tǒng)具備報警數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)中采集的故障信息經(jīng)過PLC 進(jìn)行處理及識別后傳輸至組態(tài)王，組態(tài)王經(jīng)過對報警信號的分析、分類后將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，存儲的信號可以在組態(tài)王上進(jìn)行查詢及顯示。

2.3 應(yīng)用效果分析

對優(yōu)化后的主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行良好，報警查詢共計21 條，其中振動報警7 條，溫度報警6 條，其余報警共計8 條，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自動切換任務(wù)，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的安全及可靠性，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。

3 結(jié)語

本文在原有通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用PLC 對通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，首先對PLC 通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計進(jìn)行了一定的分析，結(jié)合實(shí)際的需求對監(jiān)控系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行分別設(shè)計，設(shè)計完成后對優(yōu)化后的通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用效果分析，驗(yàn)證了優(yōu)化的可行性，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保障。