孫云龍

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)神角煤業(yè)有限公司 山西省臨汾市 042100）

1 引言

通風(fēng)除塵裝置在礦山生產(chǎn)過程中有著極為關(guān)鍵的地位，正式生產(chǎn)時(shí)主扇風(fēng)機(jī)通電運(yùn)作，不斷向井下供給新鮮空氣，以保持井下氧氣充足，同時(shí)抽取掘進(jìn)面、工作面等處產(chǎn)生的粉塵、炮煙送至地面，避免有毒有害氣體過度堆積，造成休克、缺氧等安全事故。由于通風(fēng)除塵裝置重要性顯著，因此設(shè)計(jì)、運(yùn)行環(huán)節(jié)必須保障可靠性和穩(wěn)定性，相關(guān)設(shè)備一旦出現(xiàn)長時(shí)間故障停運(yùn)，就可能造成有害氣體濃度上升，井下氧氣不足，甚至是瓦斯聚集爆炸等問題，嚴(yán)重影響礦山的正常生產(chǎn)?？v觀現(xiàn)有礦井通風(fēng)裝置，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多仍舊存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、監(jiān)測能力欠缺的情況，采集的數(shù)據(jù)精確性不佳，自動(dòng)化調(diào)節(jié)監(jiān)控滯后，很難滿足現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)需求。

近年來我國經(jīng)濟(jì)增速放緩、科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以自動(dòng)化、智能化為方向的研究成果涌現(xiàn)出來，為該種矛盾的緩和提供了不少可行思路，其中孫建兵[1]以總線掛接式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，引入CAN總線通信方式，在傳感器、總控臺(tái)之間建立連接，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)化通信和監(jiān)測數(shù)據(jù)收集，光纖通信的應(yīng)用使得誤碼率明顯降低；郭建[2]則基于無線WiFi環(huán)境開發(fā)智能監(jiān)控系統(tǒng)，融合PLC進(jìn)行抗干擾處理，外圍電路、溫控程序等一應(yīng)俱全，可以為制動(dòng)調(diào)控提供幫助；Bi QiuPing等[3]重點(diǎn)關(guān)注了自動(dòng)化控制算法設(shè)計(jì)問題，借助R型聚類、變異系數(shù)法等，確定了通風(fēng)評價(jià)的系統(tǒng)性指標(biāo)體系。本文綜合已有研究成果，引入PLC技術(shù)對礦井通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，從裝置選型、電路配備、軟硬件設(shè)計(jì)、交互界面設(shè)計(jì)等方面闡明思路，整個(gè)過程更加具體和全面。

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

梳理系統(tǒng)框架時(shí)，需要緊密圍繞實(shí)際需求開展，對于礦井生產(chǎn)活動(dòng)來說，需要監(jiān)測的對象是十分多樣的，比如風(fēng)壓風(fēng)速、有害氣體、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等，因此結(jié)構(gòu)前端應(yīng)當(dāng)設(shè)置專門的傳感器模塊，數(shù)據(jù)采集完成后，由下位機(jī)負(fù)責(zé)接收并作出相應(yīng)的指令，發(fā)送至變頻器板塊實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。本次設(shè)計(jì)中下位機(jī)嵌入PLC S7-300系列，可以較好地應(yīng)對差異化應(yīng)用需求，另外配備上位機(jī)，設(shè)置2臺(tái)單獨(dú)運(yùn)行計(jì)算機(jī)，可以基于WinCC軟件開展組態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的監(jiān)控，整個(gè)系統(tǒng)由專項(xiàng)供配電模塊負(fù)責(zé)能源供應(yīng)，可以最大限度保障礦井運(yùn)行生產(chǎn)安全性。

2.2 主通風(fēng)機(jī)選型

主通風(fēng)機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中具有核心性地位，現(xiàn)階段常用的主要有離心式、軸流式兩種，前者由主軸、進(jìn)氣室、葉輪[4]等結(jié)構(gòu)組成，通電運(yùn)行環(huán)節(jié)葉輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)，將風(fēng)流匯聚至螺旋外殼，后期壓力逐漸提升，擴(kuò)散器運(yùn)作實(shí)現(xiàn)氣體排放。這種風(fēng)機(jī)的特性曲線較為平穩(wěn)，在風(fēng)量阻力變化較小的礦井中較為適用，但調(diào)節(jié)操作較為繁瑣。后者結(jié)構(gòu)較為緊湊，通常只有變流器、擴(kuò)散器等5個(gè)部分，風(fēng)流在導(dǎo)葉作用下發(fā)生方向上的改變，經(jīng)過擴(kuò)散筒時(shí)流速進(jìn)一步降低，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能向靜壓能的轉(zhuǎn)換，完成風(fēng)流的排出。

2.3 供配電設(shè)置

礦井通風(fēng)除塵及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注供配電可靠性，對于高壓供電系統(tǒng)來說，可以配備高壓開關(guān)柜，借助自動(dòng)分閘功能防止高壓設(shè)備損壞，保障手動(dòng)控制能效，其中主通風(fēng)機(jī)房作為核心，設(shè)定為一級負(fù)荷單位，直接由110kV變電所供電，采用雙回路進(jìn)線方式。綜合實(shí)際需求后，選定高壓開關(guān)斷路器型號(hào)，額定電壓統(tǒng)一為12kV，可以在RS-485串口模塊幫助下，與下位機(jī)實(shí)現(xiàn)連接，實(shí)時(shí)接收PLC模塊指令信號(hào)，完成特定場景下的合閘、分閘控制。另外設(shè)置切換柜，當(dāng)?shù)V井通風(fēng)及監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)作時(shí)，主開關(guān)進(jìn)入接通狀態(tài)，1、2號(hào)及3、4電機(jī)對應(yīng)啟動(dòng)。當(dāng)切換柜進(jìn)入備用狀態(tài)，旁路開關(guān)聯(lián)通并帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)備用功能。為保障礦井通風(fēng)及監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行，細(xì)節(jié)上也進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)置了直流屏和不間斷電源UPS，能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為更加穩(wěn)定的直流電，板塊采用RS-485通訊協(xié)議，可以與PLC下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊。

2.4 變頻器選型

為滿足礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)需求，提升除塵、通風(fēng)操作的適宜性，礦井裝置配備環(huán)節(jié)，通常會(huì)留出一定裕量，以保障新鮮空氣供應(yīng)充足，但傳統(tǒng)模式中自動(dòng)化控制水平較低，出現(xiàn)調(diào)節(jié)需求時(shí)，只能通過手動(dòng)改變風(fēng)門、蝶閥狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)，雖然操作難度較低，但頻繁的調(diào)節(jié)容易帶來磨損，為構(gòu)件故障埋下隱患，電能消耗量也會(huì)相應(yīng)增大。現(xiàn)階段我國科技產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展、市場格局升級改造，生態(tài)理念、環(huán)保理念愈發(fā)深入人心，變頻器技術(shù)也由此獲得極大進(jìn)步，在礦井通風(fēng)除塵裝置中引入變頻器，不僅可以提升風(fēng)量控制靈活性，還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，保障成本配置合理性。本次設(shè)計(jì)中引入PH-10-6-1000羅賓康變頻器，內(nèi)部嵌入變壓器、控制模塊等，可以實(shí)現(xiàn)0～100%的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，裝置本身的適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以抵御大部分的電壓波動(dòng)問題，即使電壓降幅達(dá)到45%，裝置仍可持續(xù)運(yùn)行。在遠(yuǎn)程通信方面，引入了PROIBUS DP協(xié)議，不同類型數(shù)據(jù)對應(yīng)不同DB塊，能夠完成對PLC指令的接收和解譯。

2.5 PLC硬件配置

選擇PLC可編程控制器時(shí)，需要預(yù)先明確礦井監(jiān)測系統(tǒng)功能需求，在此基礎(chǔ)上采用針對性思路考察各硬件性能，提升設(shè)計(jì)適配性。從案例礦井生產(chǎn)實(shí)踐來看，待實(shí)現(xiàn)功能主要包含以下幾點(diǎn)：

（1）遠(yuǎn)程啟停及調(diào)速功能，需要結(jié)合井下環(huán)境狀態(tài)、變化趨勢等，對主扇風(fēng)機(jī)下發(fā)啟停指令，并做好轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和控制，保障運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、安全性。

（2）接收和分析相關(guān)參數(shù)，包含電機(jī)繞組參數(shù)、風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓參數(shù)，以及各項(xiàng)電氣參數(shù)等，確保系統(tǒng)供電電壓、運(yùn)行效率處于正常狀態(tài)，將電信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為可識(shí)別數(shù)值信號(hào)，方便人機(jī)交互模塊生成運(yùn)行曲線、報(bào)表等。

（3）主要保護(hù)功能，由于礦井生產(chǎn)環(huán)境較為復(fù)雜，控制協(xié)調(diào)不當(dāng)容易發(fā)生瓦斯聚集、有毒有害氣體充斥等問題，因此主扇風(fēng)機(jī)必須保持不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，PLC模塊需要對風(fēng)機(jī)、電機(jī)軸承溫度等進(jìn)行識(shí)別告警，緊急狀態(tài)下還要自動(dòng)停車。

基于此，在系統(tǒng)不同板塊中裝設(shè)了不同規(guī)格、不同性能的PLC模塊，其中2臺(tái)下位機(jī)采用315-2DP型號(hào)PLC，可以對接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信號(hào)，開展運(yùn)行處理和語法檢查；變頻器通訊模塊中，采用PROIBUS DP協(xié)議，對應(yīng)配備CP342-5型號(hào)的PLC模塊，對系統(tǒng)接口進(jìn)行擴(kuò)展，保障通訊順暢度。處于布線簡潔性考慮，上位機(jī)、下位機(jī)通信設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，主要采用了以太網(wǎng)通訊方式，搭配S7-300型號(hào)PLC模塊[5]，分擔(dān)315-2DP通訊壓力的同時(shí)，提升了系統(tǒng)擴(kuò)展性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測參數(shù)梳理

基于PLC技術(shù)開展礦井通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用了數(shù)字化、智能化思路，下位機(jī)、傳感器負(fù)責(zé)接收各節(jié)點(diǎn)參數(shù)，在工控機(jī)的處理下反饋指令，并通過PLC模塊完成遠(yuǎn)程控制，因此邏輯編程環(huán)節(jié)，要著重梳理需要監(jiān)測的參數(shù)指標(biāo)，為遠(yuǎn)程控制、故障報(bào)警等功能的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。監(jiān)測對象可分為兩個(gè)方面，一方面是井下環(huán)境，參數(shù)包含風(fēng)速風(fēng)壓、有害氣體含量、瓦斯?jié)舛鹊龋涣硪环矫鎰t是主風(fēng)機(jī)等核心設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這里簡單闡述幾個(gè)核心指標(biāo)的計(jì)算方法。

（1）振動(dòng)參數(shù)信號(hào)檢測，振動(dòng)是主通風(fēng)機(jī)運(yùn)作過程中的常見現(xiàn)象，劇烈振動(dòng)多由轉(zhuǎn)子不平衡等引發(fā)，軸承等構(gòu)件在長時(shí)間的振動(dòng)、磨損中很容易發(fā)生故障，因此在前后軸承上安裝傳感器，型號(hào)為TMS-HZD，外部與PLC、DC模塊連接，可以在電感應(yīng)原理支持下，完成信號(hào)的變送，感應(yīng)電動(dòng)勢為U=B·L·v，其中B代表磁感應(yīng)強(qiáng)度，L代表磁場中線圈有效長度，v代表運(yùn)動(dòng)速度。

（2）溫度參數(shù)信號(hào)檢測，對象主要為電機(jī)定子、風(fēng)機(jī)軸承等，當(dāng)風(fēng)機(jī)超負(fù)荷、超時(shí)長運(yùn)作時(shí)，這些部件最容易燒壞，為保障穩(wěn)定性，選用PT100鉑熱電阻傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，鉑材質(zhì)本身的物化性質(zhì)比較穩(wěn)定，檢測精度、效率更高，當(dāng)電阻溫度為0℃時(shí)，傳回電阻值為100Ω，若溫度上升至100℃，電阻值會(huì)對應(yīng)提升到138.5Ω左右，方便工控機(jī)判定。

（3）風(fēng)量參數(shù)信號(hào)檢測，考慮到礦井作業(yè)環(huán)境較為特殊，風(fēng)機(jī)運(yùn)作環(huán)節(jié)中流場不均勻性、波動(dòng)性較為鮮明，面對同一測量截面時(shí)，可能需要多點(diǎn)布設(shè)傳感器，檢測時(shí)間長且任務(wù)強(qiáng)度重，測點(diǎn)準(zhǔn)確性也很難保障，所以本次設(shè)計(jì)中，引入分體式組合動(dòng)壓管策略，運(yùn)算時(shí)同樣需要先行獲得平均速度、風(fēng)機(jī)靜壓等參數(shù)，多點(diǎn)測量求加權(quán)平均值，公式為

3.2 數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計(jì)

對下位機(jī)PLC系統(tǒng)進(jìn)行邏輯編程時(shí)，可用的表達(dá)方式是比較多樣的，梯形圖、指令表等均是常見種類，考慮到礦井通風(fēng)除塵裝置運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測工作量較大，因此選用簡潔性較好的梯形圖編制方式，使用STEP7平臺(tái)繪制流程。對PLC監(jiān)控任務(wù)進(jìn)行拆分細(xì)化，防止功能重復(fù)、算法冗余帶來的效率問題，梳理后將核心任務(wù)層分為5個(gè)部分，其中FC1、FC2負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，分別面向變頻器、傳感器開展工作，F(xiàn)C3、FC4以及FC5負(fù)責(zé)邏輯控制，分別對應(yīng)高壓開關(guān)柜控制、主通風(fēng)機(jī)控制和報(bào)警控制。FC1、FC2模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，要重點(diǎn)關(guān)注I/O接口的分配問題，基于此引進(jìn)SM321、SM322和SM323模塊負(fù)責(zé)數(shù)字量輸入和輸出，分別接管變頻正轉(zhuǎn)運(yùn)行反饋、變頻就緒反饋、變頻故障反饋等，輸出端則接管變頻停止、變頻啟動(dòng)、蝶閥開到位指示等內(nèi)容。

3.3 遠(yuǎn)程控制功能設(shè)計(jì)

借助STEP7平臺(tái)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，當(dāng)技術(shù)人員通過上位機(jī)發(fā)出開始指令，下位機(jī)會(huì)自行接收信號(hào)，并開展初始化處理和自檢，待到所有工作準(zhǔn)備完畢后，選擇適宜的工作方式。若采用自動(dòng)控制方式，下位機(jī)會(huì)自動(dòng)根據(jù)實(shí)際情況決定啟動(dòng)對象，可以提前設(shè)置默認(rèn)風(fēng)機(jī)，假設(shè)默認(rèn)1號(hào)風(fēng)機(jī)，那么下位機(jī)還會(huì)判定二號(hào)蝶閥啟閉狀態(tài)，確認(rèn)關(guān)閉后開啟1號(hào)蝶閥，以防出現(xiàn)風(fēng)流短路問題。同時(shí)確定風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式，根據(jù)單機(jī)、雙機(jī)需求調(diào)節(jié)變頻器。FC3控制模塊中，主要設(shè)置了連鎖控制程序，采用雙回路供電，可以確保變頻器安全性；FC5模塊中，主要梳理和優(yōu)化了報(bào)警模塊，可以根據(jù)需求提前設(shè)置礦井風(fēng)量閾限、毒害氣體濃度閾限等，最大限度保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。FC4控制模塊中，主要控制對象為主通風(fēng)機(jī)，編寫環(huán)節(jié)主要把握以下幾個(gè)要點(diǎn)：

（1）蝶閥控制邏輯，蝶閥具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)操作便捷的特征，在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中極為重要和關(guān)鍵，風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)節(jié)要特別注意風(fēng)流短路問題，通過PLC邏輯設(shè)定聯(lián)鎖算法規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)。此外，若風(fēng)機(jī)在蝶閥未完全開啟的情況下運(yùn)行，很有可能導(dǎo)致壓力集中、過載問題，影響蝶閥的使用壽命，因此邏輯設(shè)計(jì)時(shí)加入了額外的限制條件，配合S5延時(shí)器控制蝶閥，以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)導(dǎo)通和延時(shí)關(guān)斷。

（2）變頻器控制邏輯，優(yōu)化環(huán)節(jié)主要防范變頻器同時(shí)投切問題，這種投切很可能導(dǎo)致電機(jī)過載，因此加入延時(shí)接通模塊，方便主備用切換操作。礦井生產(chǎn)過程中對通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高，所以部分礦井還會(huì)安排定期檢修活動(dòng)，此時(shí)就對變頻器單動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制性能提出了較高要求，本次設(shè)計(jì)中規(guī)定，當(dāng)1#、2#變頻器均處于關(guān)停狀態(tài)，且滿足上位機(jī)遠(yuǎn)程手動(dòng)操作標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以進(jìn)入單動(dòng)運(yùn)作。

（3）風(fēng)機(jī)故障切換，主通風(fēng)機(jī)在礦井安全生產(chǎn)中重要性顯著，長時(shí)間的故障停運(yùn)可能導(dǎo)致井下缺氧、瓦斯聚集等情況，所以PLC邏輯編程環(huán)節(jié)，還需要設(shè)置故障切換功能，若故障發(fā)生、且短時(shí)間內(nèi)無法自動(dòng)修復(fù)，那么下位機(jī)會(huì)自動(dòng)檢測備用風(fēng)機(jī)狀態(tài)，經(jīng)過延時(shí)后完成切換。

（4）風(fēng)量自適應(yīng)調(diào)節(jié)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)是新型控制監(jiān)測系統(tǒng)的重要功能，可以在保障安全的同時(shí)，顯著降低能耗。舊有模式中對自適應(yīng)調(diào)節(jié)的精確性控制不佳，很容易出現(xiàn)限值過高、過低的情況，誘發(fā)通風(fēng)不良或電能浪費(fèi)問題，而PLC技術(shù)的出現(xiàn)較好地解決了這一困境，運(yùn)行環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)先計(jì)算實(shí)際需求風(fēng)量，對各工作面、巷道等需風(fēng)量總和進(jìn)行判斷[7]，并比較實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與理論需求量的大小，根據(jù)比較結(jié)果自動(dòng)調(diào)節(jié)，保障系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性能。

3.4 故障報(bào)警設(shè)計(jì)

PLC技術(shù)及遠(yuǎn)程通信技術(shù)的引入改變了傳統(tǒng)模式下，通風(fēng)控制響應(yīng)緩慢、準(zhǔn)確度低的情況，內(nèi)置的自調(diào)節(jié)算法還能對異常隱患進(jìn)行識(shí)別和調(diào)節(jié)，最大限度保障系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。但受到井下運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行時(shí)長等因素的影響，系統(tǒng)故障停機(jī)隱患無法完全排除，一旦遇到自動(dòng)復(fù)位失敗的狀況，系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性就會(huì)大幅降低。因此設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)還增加了報(bào)警組態(tài)模塊，可以對變量參數(shù)情況進(jìn)行檢測，如果超出正常閾值即發(fā)出告警信息，以文本消息提示可能的故障類型，為后期的檢修排查工作奠定基礎(chǔ)。報(bào)警功能由指定模塊承擔(dān)，模塊與內(nèi)部數(shù)據(jù)庫對接，可以實(shí)時(shí)提取額定參數(shù)值、歷史參數(shù)值等，運(yùn)行過程中可以基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并判斷是否出現(xiàn)超限值狀況，如果判定為異常則借助延時(shí)置位開關(guān)發(fā)出告警，提示現(xiàn)場人員注意。主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，故障檢測對象較為多樣，包含高壓供電系統(tǒng)故障、變頻器故障等，可以通過消音、復(fù)位等操作結(jié)束警報(bào)。注意參數(shù)閾限的設(shè)置務(wù)必要符合使用需求，以案例二號(hào)電機(jī)為例，本次設(shè)計(jì)中將后軸承溫度上限設(shè)定為90℃，超過這一上限風(fēng)機(jī)會(huì)承受較為嚴(yán)重的負(fù)面影響，因此逼近、超過上限值后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)告警并彈出提示信息，最大限度保障礦井監(jiān)測、檢修響應(yīng)速度，其他參數(shù)上限參考值可見表1。

表1：礦井通風(fēng)除塵裝置參數(shù)報(bào)警上限節(jié)選

4 WinCC組態(tài)設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)是監(jiān)控功能集成、整合的重要平臺(tái)和通道，本次實(shí)踐中主要借助WinCC組態(tài)軟件開展設(shè)計(jì)，所搭建的HMI界面中，主要包含用戶登錄模塊、風(fēng)機(jī)監(jiān)控模塊、供電系統(tǒng)監(jiān)控模塊、運(yùn)行參數(shù)報(bào)表、曲線轉(zhuǎn)換模塊、報(bào)警記錄模塊等。所有界面設(shè)計(jì)過程均在WinCC Explorer平臺(tái)完成，靈活運(yùn)用“圖形編輯器”“標(biāo)準(zhǔn)板”等選項(xiàng)簡化操作。用戶登錄模塊采用賬號(hào)密碼管理方式，管理員負(fù)責(zé)所有賬號(hào)的創(chuàng)建、保管，點(diǎn)擊“添加用戶”按鈕，并設(shè)定角色、權(quán)限即可新增賬號(hào)，出于安全性考慮還可以限制單次操作時(shí)長，定點(diǎn)強(qiáng)制退出。為方便操作生成了專門的登錄按鈕，語言腳本為：

出于操作便捷性考慮，畫面設(shè)計(jì)時(shí)還增添了切換功能，風(fēng)機(jī)監(jiān)控、供電系統(tǒng)參數(shù)等模塊按鈕統(tǒng)一放置在界面底部，可以根據(jù)需求自行點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)。對于上位機(jī)來說，參數(shù)顯示與分析功能最為關(guān)鍵，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，將輸入輸出與變量對應(yīng)關(guān)聯(lián)，同時(shí)更改更新方式，保障參數(shù)變化情況的實(shí)時(shí)同步。變量設(shè)置環(huán)節(jié)要兼顧內(nèi)部、外部兩種變量，前者主要包含屬性名稱、數(shù)據(jù)類型等，可以為畫面調(diào)用、地址引用提供支撐；后者則用于PLC外接通訊，包含數(shù)據(jù)名稱、類型等，考慮到礦井通風(fēng)除塵系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行進(jìn)程較為復(fù)雜，PLC邏輯編程時(shí)，逐一定義的工作量較大，很容易發(fā)生錯(cuò)漏問題，因此可以借助SIMATIC WinCC Configuration Tool輔助建立變量，以提高PLC編程效率。

4.2 通信模塊設(shè)計(jì)

礦井生產(chǎn)環(huán)境相對特殊，信號(hào)傳輸過程中容易受到電磁、地層等多重因素干擾，上位機(jī)、下位機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮速度、穩(wěn)定性，更要兼顧丟包率、兼容性等問題，基于此，本次設(shè)計(jì)引入工業(yè)以太網(wǎng)，搭配TCP/IP協(xié)議完成通訊。用該種通信架構(gòu)代替CAN總線模式，可以減少現(xiàn)場環(huán)境對線路布局的限制，資源共享、傳輸能力也明顯提升，當(dāng)下位機(jī)有通信需求時(shí)，無需借助專用CP1613網(wǎng)卡完成，而是直接通過以太網(wǎng)卡即可交換數(shù)據(jù)，成本更加低廉，PLC調(diào)試編程也更加便捷。本次設(shè)計(jì)主要嵌入了CP343-1 Lean模塊，可以在計(jì)算機(jī)中自行設(shè)置IP地址、子網(wǎng)掩碼等，以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性。

4.3 系統(tǒng)功能測試

完成通風(fēng)裝置及PLC監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，對整體架構(gòu)的運(yùn)行情況進(jìn)行運(yùn)行測試，啟停與切換測試環(huán)節(jié)，將風(fēng)機(jī)風(fēng)窗全部打開，主通風(fēng)機(jī)進(jìn)入空載狀態(tài)，以上位機(jī)平臺(tái)為依托，切換至手動(dòng)控制狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)所有啟停操作可以控制在1min以內(nèi)，主備切換動(dòng)作也僅有3min左右。切換到自動(dòng)狀態(tài)后，變頻器故障切換、風(fēng)機(jī)一鍵啟動(dòng)總計(jì)用時(shí)不超過1min，主備風(fēng)機(jī)切換也僅有2min。

5 裝置系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例及效益分析

礦井通風(fēng)除塵裝置及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，開展了實(shí)地運(yùn)行測驗(yàn)，案例礦井每年產(chǎn)量150萬噸，開拓系統(tǒng)以主井為核心，分布1#副井、2#副井，通道中風(fēng)量約為220m3/s，主風(fēng)機(jī)運(yùn)作環(huán)節(jié)，地面新鮮空氣從兩副井送入，經(jīng)過運(yùn)輸巷、穿脈巷后，到達(dá)人行通風(fēng)天井和掘進(jìn)面，最后從回風(fēng)井排出。

6 結(jié)論

綜上所述，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于PLC模塊的礦井通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，選用FBCDZN034/2×800主通風(fēng)機(jī)，搭配PH-10-6-1000羅賓康變頻器、高精度振動(dòng)傳感器、溫度傳感器等，能夠較好地實(shí)現(xiàn)井下瓦斯?jié)舛?、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程一鍵啟停、蝶閥控制、故障報(bào)警等功能。在此基礎(chǔ)上引入WinCC組態(tài)軟件輔助完成上位機(jī)界面設(shè)計(jì)，僅測試運(yùn)行響應(yīng)速度良好，能夠滿足礦井通風(fēng)除塵系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性需求。經(jīng)過實(shí)際投產(chǎn)運(yùn)行，每年可節(jié)省電量110萬千瓦時(shí)，礦井營收能力、設(shè)備管理能力都得到顯著提高，實(shí)踐環(huán)節(jié)可以適當(dāng)借鑒該種設(shè)計(jì)思路，根據(jù)實(shí)際需求完善和更改PLC編程邏輯，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性、適用性。