0 引言

主通風機是煤礦四大固定設備之一，素有“礦井肺腑之稱”，它擔負著向井下輸送新鮮空氣，排出粉塵和污濁氣流，確保礦井安全生產的重任[1]。近年來，隨著國家對煤礦安全與經濟效益的日益重視，煤礦機電設備的運行控制和自動化管理顯得尤為重要，因此，加強通風管理，防止安全事故發(fā)生，提高風機運行效率，確保其安全、經濟、高效運行已勢在必行。

陜西省某煤礦原通風監(jiān)控系統(tǒng)存在以下問題：系統(tǒng)過于簡單、風機耗電量大、部分關鍵參數監(jiān)測精度較低、監(jiān)測內容不全面、未與調度中心信息系統(tǒng)集成。經過多年運行，部分設備老化，多數儀表損壞，監(jiān)控系統(tǒng)處于半癱瘓狀態(tài)，已經構成了嚴重的安全隱患。因此，必須對原有系統(tǒng)進行全面改造，建立完善、合理的監(jiān)控系統(tǒng)，以改變該礦落后的管理局面，提高礦井通風設備自動化和科學化管理水平。

1 變頻控制系統(tǒng)組成

為了適應礦井發(fā)展，滿足通風網絡變化的要求，通風機及其拖動電機在設計選型時都有一定余量，形成“大馬拉小車”的不經濟運行現象。煤礦主通風機傳統(tǒng)的控制方式是風機全速運行，通過調節(jié)風葉安裝角度或風門開度調整所需風量，這種運行方式能耗大，約占煤礦能耗的15%~20%左右，并且調節(jié)不方便。采用變頻調速技術，可以根據礦井生產需求調整電機轉速來調節(jié)風量，既節(jié)約大量電能，又減少機械和風的噪音。

根據《煤炭安全規(guī)程》第四百四十二條規(guī)定[2]，主通風系統(tǒng)高壓兩回路10kV電源引自地面變電所不同的兩段母線上，通過架空線路接至主通風變電所高壓室，高壓母線為單母線分段結構，兩條高壓進線互為備用，安裝自投裝置，確保供電安全。高壓室設有7臺高壓柜。低壓母線也為單母線分段，設有進線柜兩個、母線聯(lián)絡柜一個，四個變頻柜分別控制兩臺對旋風機的四臺電機，兩個低壓配電柜為風門絞車供電，系統(tǒng)控制柜一個。變頻器選用日立變頻器SJ700系列。日立SJ700變頻器特別適合煤礦風機使用，具有如下優(yōu)點：

1)實現了0.3 Hz時200%以上高啟動轉矩，保證風機特殊情況下的正常啟動;

2)具有變頻器跳閘抑制功能，過電流抑制功能、過電壓抑制功能，根據負載調整所需的加速時間和減速時間，減少了跳閘的發(fā)生，提高了風機運行的安全性;

3)通過可編程序運行功能，實現簡易順序控制功能，內置簡易程序運轉最大可達512步，可以簡化上位裝置和周邊回路，節(jié)約了控制柜空間、降低了成本，提高了變頻控制柜可靠性;

4)采用冷卻風扇、平滑電容等長壽命部件，設計壽命達到10年，并具有壽命診斷功能，可以發(fā)出預告信號，提示在這些部件發(fā)生故障前對其進行更換，提高了變頻器的可靠性;

5)安裝標準的EMC噪音濾波器，降低了諧波和變頻器噪音;

6)專利微浪涌電壓抑制功能，即使和電機之間接線距離很長，也能抑制端子電壓的變動，保護風機電機的絕緣;

7)一個按鈕即可實現變頻器的緊急切斷，不通過變頻器的CPU，通過硬件就可以切斷輸出，從而實現高可靠性緊急切斷，保證應急停風機的要求;

8)變頻器內部基板三防涂層處理及銅條的鍍鎳處理，提高了變頻器環(huán)境適應性，適合煤礦應用環(huán)境。主通風變電所一次系統(tǒng)如圖1所示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)組成

礦井主通風機自動監(jiān)控系統(tǒng)以PLC 為核心，主要由信號監(jiān)測裝置、傳感(變送)器、PLC、通信裝置、上位機及其它設備組成，可分為風機變電站監(jiān)控系統(tǒng)和風機風速、負壓、振動、風機電機溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如圖2所示。

PLC 選用Sienens S7-300 系列PLC，硬件結構如圖3所示，主要由電源、CPU、數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、通信單元等模塊組成。

觸摸屏采用WEINVIEWMT508T 觸摸屏，通過MT5-S7300 通信電纜與PLC 連接，采用MPI 協(xié)議完成通信。觸摸屏動態(tài)顯示系統(tǒng)整體運行狀態(tài)。

S7-300 通過工業(yè)以太網通信模塊CP343 連接到上位工控機或礦統(tǒng)調系統(tǒng)，實現監(jiān)測參數的實時顯示，并將監(jiān)測參數存儲到數據庫中;同時以數據、趨勢圖及報表等多種方式實現風機運行參數監(jiān)測結果的再現。根據設定的起始時間點，實現分、時、日和選擇變量形式，以時間間隔和變量數據等方式查詢、打印報表，完成性能測試，自動生成性能測試報告，通風機性能曲線等。

2.1 變電站監(jiān)控系統(tǒng)組成

變電站監(jiān)控系統(tǒng)高壓部分采用廈門工控生產的微機保護單元，該單元可就地顯示相電壓、線電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等參數，可通過RS485

接口使用MODBUS-RTU 協(xié)議與PLC 通信模塊CP341連接。[!--empirenews.page--]

低壓系統(tǒng)測量儀表均采用設有RS485通信接口的SWP系列智能儀表，可就地顯示相電壓、線電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等參數，通過MODBUS-RTU協(xié)議與PLC通信模塊CP341通信，監(jiān)測設備運行參數。

變頻器標配RS485 MODBUS-RTU 通信接口和PLC通信模塊CP341，通過MODBUS-RTU協(xié)議進行通信。

其它高、低壓開關，風門限位開關的信號均通過數字量輸入模塊與PLC連接。

2.2 風機在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

風速、負壓、振動、風機電機溫度監(jiān)控系統(tǒng)主要由風速、負壓、振動、溫度傳感器和相應變送器組成。

風速傳感器安裝在風機前端的風道內，傳感器輸出信號經風速變送器轉換成電信號，傳送至PLC模擬量輸入模塊。

負壓監(jiān)測是把風機前端的風道開孔引風接至負壓傳感器，經過負壓變送器將負壓值轉換為4~20 mA信號引至PLC模擬量輸入模塊。

振動監(jiān)測由振動傳感器和振動位移變送器組成。

振動傳感器分別安裝在風機前、后軸承位置處的機殼垂直和水平方向上，用于檢測風機的水平和垂直方向的振動。振動速度量轉換成位移量送入振動位移變送器，振動位移變送器將此位移信號轉換成與之對應的電信號輸出，接至PLC模擬量輸入模塊。

風機拖動電機安裝三相定子和前后軸承，繞組溫度傳感器，兩套帶有標準RS485接口的16路溫度巡檢儀SWP就地顯示溫度及溫度報警狀態(tài)，溫度巡檢儀也通過MODBUS-RTU 協(xié)議與PLC 通信模塊CP341通信，在觸摸屏和上位機上實時顯示溫度。

3 系統(tǒng)軟件設計

基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)軟件由風機控制、參數監(jiān)測和通信三個子程序組成。PLC 編程軟件采用STEP7-V5.3，由PLC 完成各類監(jiān)測參數的采集、模數轉換、數據處理，再向后臺傳輸監(jiān)控信息并執(zhí)行后臺的指令。

風機控制采用三級控制模式，即手動/就地控制模式、觸摸屏集中控制模式和上位機遠程控制模式。高壓系統(tǒng)和變頻器也有兩種控制方式：一種是通過PLC的一個CP341通信模塊給微機保護單元發(fā)送遙控命令，控制高壓開關柜分、合閘，另一個CP341通信模塊給變頻器發(fā)送運行、轉向指令及輸出頻率控制風機起停;另一種方式，高壓柜分、合閘及變頻器運行、轉向指令來自PLC數字量輸出模塊，通過PLC模擬量輸出模塊或控制柜上的電位器控制變頻器輸出頻率。風門絞車及低壓系統(tǒng)控制通過數字量輸出模塊控制。

觸摸屏程序設計采用Easy Builder 500編程軟件，通過MT5-S7300通信電纜與PLC連接，直接讀取設置在PLC中的數據，控制高、低壓系統(tǒng)分合閘，實現風機的正常啟停，風門絞車的正常升降，實時觀測風機運行時的參數。觸摸屏如圖4所示。

PLC模擬量輸入模塊是自動監(jiān)控系統(tǒng)中的一個重要部分，模擬量輸入模塊選擇電流輸入的工作模式，PLC通過模擬量輸入模塊采集風機運行參數，送上位機和觸摸屏動態(tài)顯示。程序中設計了風機電動機溫度超標、電動機振動超標報警程序，以此提高風機及電機的運行可靠性。

4 系統(tǒng)特點

1)實現風機運行參數的實時監(jiān)測與風機主輔設備集中控制;

2)實時監(jiān)測拖動電機電氣參數;

3)顯示當前運行機號、正反轉信號、風機開停狀態(tài)等;

4)動態(tài)顯示主通風變電所高、低壓設備運行狀態(tài);

5)實現遠程通信，監(jiān)測參數可上傳到上位機與煤礦調度系統(tǒng)連接;

6)實現三級控制。

5 結語

基于PLC 的風機變頻驅動系統(tǒng)及風機自動監(jiān)控系統(tǒng)實現了觸摸屏和上位機兩級集中監(jiān)測和控制，為通風系統(tǒng)及時維護和有效調節(jié)提供了可靠依據。本系統(tǒng)在該礦已運行兩年，監(jiān)測實時性好，數據準確，通信可靠，達到了節(jié)能的預期效果。實踐證明，風機自動監(jiān)控系統(tǒng)有力地保證了主通風機經濟、可靠地運行，提高了礦井主通風機設備的自動化管理水平。