高海江

（山西焦煤汾西礦業(yè)正幫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300）

引言

煤炭掘進(jìn)工作基本全部在井下完成，因井下作業(yè)環(huán)境極為惡劣，存在有毒有害氣體、易燃易爆的瓦斯等，不及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)換氣，不僅會(huì)危及井下作業(yè)人員的生命安全，嚴(yán)重的還會(huì)引起爆炸等安全事故，必須引起高度重視[1-3]。礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，能夠及時(shí)排除井下有害氣體，為井下作業(yè)人員輸送新鮮空氣[4]。通風(fēng)機(jī)作為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，其工作的可靠性至關(guān)重要[5]。隨著科技的發(fā)展，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，也為礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考[6]。因此，針對(duì)某煤炭企業(yè)現(xiàn)有通風(fēng)機(jī)缺乏監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，開(kāi)展基于PLC技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，對(duì)于提高通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性具有重要意義。

1 系統(tǒng)功能要求

根據(jù)煤炭企業(yè)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀及其對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，明確了礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，主要內(nèi)容如下：

1）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，包括電壓、電流等。

2）能夠?qū)崟r(shí)采集煤礦井下作業(yè)環(huán)境中的風(fēng)壓等參數(shù)數(shù)據(jù)。

3）通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)具有軟啟動(dòng)功能，同時(shí)，連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中能夠依據(jù)實(shí)時(shí)采集得到的巷道風(fēng)量參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的頻率和風(fēng)速，完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整。

4）實(shí)時(shí)顯示變頻器工作狀態(tài)、正反轉(zhuǎn)及啟停情況。

5）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備故障報(bào)警功能，尤其是變頻器和風(fēng)機(jī)故障時(shí)，必須能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

6）實(shí)時(shí)顯示礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)等參數(shù)數(shù)據(jù)。

2 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能要求完成了以PLC為控制核心部件的監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，如圖1所示。由圖1可以看出，系統(tǒng)中PLC負(fù)責(zé)接收通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，通過(guò)上位機(jī)將處理之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)中的壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)管道中的實(shí)時(shí)風(fēng)壓數(shù)值，驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓和電流的監(jiān)測(cè)分別設(shè)置了電壓傳感器和電流傳感器，經(jīng)過(guò)PLC的A/D擴(kuò)展模塊轉(zhuǎn)換成PLC可以處理的數(shù)字量。系統(tǒng)通過(guò)采集光電編碼盤(pán)的脈沖信號(hào)可以計(jì)算得出風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制功能。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 硬件電路

基于礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案完成了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，如下頁(yè)圖2所示，主要包括主電路和控制電路兩部分。主電路部分包括驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的2臺(tái)電動(dòng)機(jī)，標(biāo)識(shí)分別為M1和M2，熔斷器FU1、隔離開(kāi)關(guān)QS1、2個(gè)熱繼電器FR1和FR2、2個(gè)交流接觸器KM1和KM2、還有2個(gè)MM3117型變頻器等?？刂齐娐钒▋蓚€(gè)電源隔離開(kāi)關(guān)QS1和QS2、兩個(gè)指示燈H1和H2、兩個(gè)報(bào)警鈴B1和B2。變頻器上電控制由QS1負(fù)責(zé)，配置熔斷器FU1工作。PLC供電由QS2通斷24 V電源實(shí)現(xiàn)，配置熔斷器FU2工作。兩個(gè)接觸器KM1和KM2分別用于控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)1和驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的通斷。變頻器故障報(bào)警和指示燈由H1和B1負(fù)責(zé)，風(fēng)機(jī)故障報(bào)警和指示由H2和B2負(fù)責(zé)。

圖2 硬件電路圖

3.1.2 PLC選型

根據(jù)通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要，選擇了西門(mén)子旗下型號(hào)為S7-200的PLC，其CPU為226的PLC，該型號(hào)PLC內(nèi)部自帶2個(gè)RS485通信接口，分別標(biāo)識(shí)為0和1，同時(shí)具有高速計(jì)數(shù)模塊、PID模塊等。編程時(shí)，若采用端口0或1的情況下，該端口就不能同時(shí)用作網(wǎng)絡(luò)通信口使用了。為了能夠使PLC實(shí)時(shí)采集礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和風(fēng)機(jī)電壓、電流等，PLC外擴(kuò)了一個(gè)EM235的模擬量模塊，由此壓力傳感器T2采集得到輸出的4～20 mA信號(hào)就能夠直接接入模擬量擴(kuò)展模塊的輸入端。

3.1.3 變頻器選型

根據(jù)通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)的原理和要求，選擇的是型號(hào)為MM3117的變頻器，調(diào)速的方法利用的是U/F控制方式，能夠達(dá)到平滑調(diào)速、節(jié)能省電的效果。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的是串口通信方式，使用變頻器時(shí)僅需要完成變頻器的串口接線(xiàn)，大大降低了變頻器接線(xiàn)難度。變頻器與PLC之間也采用串口相連，將PLC通信端口0連接變頻器的RS485接口，由陽(yáng)極9針D型插頭將二者接通。PLC控制器與變頻器之間的通信采用USS協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

3.1.4 其他硬件選型

礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳感器涉及監(jiān)測(cè)風(fēng)壓大小的壓力傳感器T1、監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)電壓、電流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的電壓傳感器T2和電流傳感器T3。根據(jù)通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求，選擇了CYBZI系列中量程為0～3 kPa的壓力傳感器，選擇了型號(hào)為CHV-25P的電壓傳感器，選擇了型號(hào)為CHB-25NP的電流傳感器。光電編碼盤(pán)選擇來(lái)自O(shè)MRON公司生產(chǎn)的5線(xiàn)制光電編碼盤(pán)，分別為A相、B相、Z相、5/24 V、0 V（COM），分辨率高達(dá)600 P/r。光電編碼盤(pán)使用時(shí)其輸出端A、B、Z與PLC輸入端相連，24 V電源和接地端分別與PLC的24 V電源和GND端相連。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 主程序

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主程序完成PLC與變頻器通信、風(fēng)機(jī)手動(dòng)和自動(dòng)變頻運(yùn)行、子程序調(diào)用和風(fēng)機(jī)故障報(bào)警等工作，主程序工作流程如圖3所示。程序啟動(dòng)之后先進(jìn)行PLC和變頻器通信參數(shù)的初始化并激活變頻器，之后依次調(diào)用參數(shù)初始化子程序和模擬量模塊檢查子程序，完成風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓等參數(shù)寄存器地址的初始化，確定EM235模塊連接是否正常，不正常則程序停止運(yùn)行，若連接正常，固頻啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和調(diào)用子程序，監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)電壓、電流等參數(shù)數(shù)值。判斷變頻器是否故障、風(fēng)量是否超限等，沒(méi)有問(wèn)題之后可以控制電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)向等，讀取變頻器數(shù)據(jù)并進(jìn)行電機(jī)變頻調(diào)速控制。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主程序工作流程

3.2.2人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面主要用于生產(chǎn)控制通風(fēng)機(jī)，通過(guò)人機(jī)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，在工程瀏覽器目錄中選擇畫(huà)面新建，將新建的畫(huà)面名稱(chēng)編輯為監(jiān)控系統(tǒng)主界面，之后設(shè)置主界面的大小和顏色等，設(shè)置完成即可點(diǎn)擊確定鍵完成主界面的建立。在主界面中使用工具箱內(nèi)部圖庫(kù)完成風(fēng)機(jī)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成的主界面如圖4所示。由圖4看出通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面中包括了“下拉菜單”“監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示面板”“風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制面板”“轉(zhuǎn)速整定面板”“報(bào)警指示燈面板”和“變頻器參數(shù)控制區(qū)”六部分，實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制。

4 工程應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，將其應(yīng)用于該煤礦服役中的通風(fēng)機(jī)中進(jìn)行工程應(yīng)用，跟蹤記錄應(yīng)用效果情況，結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制功能。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，相較于沒(méi)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之前，增加監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的礦井通風(fēng)機(jī)具有故障報(bào)警功能，降低了近16%的故障排查時(shí)間，進(jìn)而節(jié)約了2～3名設(shè)備保全人員，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，確保了井下作業(yè)人員的安全，提高了通風(fēng)機(jī)有效工作時(shí)間，預(yù)計(jì)能夠?yàn)槊禾科髽I(yè)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益近40萬(wàn)元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。

圖4 人機(jī)交互主界面