0 引言

主通風(fēng)機(jī)是煤礦四大固定設(shè)備之一，素有“礦井肺腑之稱(chēng)”，它擔(dān)負(fù)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(chǎn)的重任[1]。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全與經(jīng)濟(jì)效益的日益重視，煤礦機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行控制和自動(dòng)化管理顯得尤為重要，因此，加強(qiáng)通風(fēng)管理，防止安全事故發(fā)生，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，確保其安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行已勢(shì)在必行。

陜西省某煤礦原通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：系統(tǒng)過(guò)于簡(jiǎn)單、風(fēng)機(jī)耗電量大、部分關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)精度較低、監(jiān)測(cè)內(nèi)容不全面、未與調(diào)度中心信息系統(tǒng)集成。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，部分設(shè)備老化，多數(shù)儀表?yè)p壞，監(jiān)控系統(tǒng)處于半癱瘓狀態(tài)，已經(jīng)構(gòu)成了嚴(yán)重的安全隱患。因此，必須對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行全面改造，建立完善、合理的監(jiān)控系統(tǒng)，以改變?cè)摰V落后的管理局面，提高礦井通風(fēng)設(shè)備自動(dòng)化和科學(xué)化管理水平。

1 變頻控制系統(tǒng)組成

為了適應(yīng)礦井發(fā)展，滿(mǎn)足通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)變化的要求，通風(fēng)機(jī)及其拖動(dòng)電機(jī)在設(shè)計(jì)選型時(shí)都有一定余量，形成“大馬拉小車(chē)”的不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行現(xiàn)象。煤礦主通風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)的控制方式是風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)葉安裝角度或風(fēng)門(mén)開(kāi)度調(diào)整所需風(fēng)量，這種運(yùn)行方式能耗大，約占煤礦能耗的15%~20%左右，并且調(diào)節(jié)不方便。采用變頻調(diào)速技術(shù)，可以根據(jù)礦井生產(chǎn)需求調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，既節(jié)約大量電能，又減少機(jī)械和風(fēng)的噪音。

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》第四百四十二條規(guī)定[2]，主通風(fēng)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(guò)架空線路接至主通風(fēng)變電所高壓室，高壓母線為單母線分段結(jié)構(gòu)，兩條高壓進(jìn)線互為備用，安裝自投裝置，確保供電安全。高壓室設(shè)有7臺(tái)高壓柜。低壓母線也為單母線分段，設(shè)有進(jìn)線柜兩個(gè)、母線聯(lián)絡(luò)柜一個(gè)，四個(gè)變頻柜分別控制兩臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)的四臺(tái)電機(jī)，兩個(gè)低壓配電柜為風(fēng)門(mén)絞車(chē)供電，系統(tǒng)控制柜一個(gè)。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(fēng)機(jī)使用，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)實(shí)現(xiàn)了0.3 Hz時(shí)200%以上高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，保證風(fēng)機(jī)特殊情況下的正常啟動(dòng);

2)具有變頻器跳閘抑制功能，過(guò)電流抑制功能、過(guò)電壓抑制功能，根據(jù)負(fù)載調(diào)整所需的加速時(shí)間和減速時(shí)間，減少了跳閘的發(fā)生，提高了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全性;

3)通過(guò)可編程序運(yùn)行功能，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易順序控制功能，內(nèi)置簡(jiǎn)易程序運(yùn)轉(zhuǎn)最大可達(dá)512步，可以簡(jiǎn)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(fēng)扇、平滑電容等長(zhǎng)壽命部件，設(shè)計(jì)壽命達(dá)到10年，并具有壽命診斷功能，可以發(fā)出預(yù)告信號(hào)，提示在這些部件發(fā)生故障前對(duì)其進(jìn)行更換，提高了變頻器的可靠性;

5)安裝標(biāo)準(zhǔn)的EMC噪音濾波器，降低了諧波和變頻器噪音;

6)專(zhuān)利微浪涌電壓抑制功能，即使和電機(jī)之間接線距離很長(zhǎng)，也能抑制端子電壓的變動(dòng)，保護(hù)風(fēng)機(jī)電機(jī)的絕緣;

7)一個(gè)按鈕即可實(shí)現(xiàn)變頻器的緊急切斷，不通過(guò)變頻器的CPU，通過(guò)硬件就可以切斷輸出，從而實(shí)現(xiàn)高可靠性緊急切斷，保證應(yīng)急停風(fēng)機(jī)的要求;

8)變頻器內(nèi)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(yīng)性，適合煤礦應(yīng)用環(huán)境。主通風(fēng)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(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)以PLC 為核心，主要由信號(hào)監(jiān)測(cè)裝置、傳感(變送)器、PLC、通信裝置、上位機(jī)及其它設(shè)備組成，可分為風(fēng)機(jī)變電站監(jiān)控系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)風(fēng)速、負(fù)壓、振動(dòng)、風(fēng)機(jī)電機(jī)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(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由電源、CPU、數(shù)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(guò)MT5-S7300 通信電纜與PLC 連接，采用MPI 協(xié)議完成通信。觸摸屏動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)。

S7-300 通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊CP343 連接到上位工控機(jī)或礦統(tǒng)調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，并將監(jiān)測(cè)參數(shù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中;同時(shí)以數(shù)據(jù)、趨勢(shì)圖及報(bào)表等多種方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的再現(xiàn)。根據(jù)設(shè)定的起始時(shí)間點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)分、時(shí)、日和選擇變量形式，以時(shí)間間隔和變量數(shù)據(jù)等方式查詢(xún)、打印報(bào)表，完成性能測(cè)試，自動(dòng)生成性能測(cè)試報(bào)告，通風(fēng)機(jī)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(mén)工控生產(chǎn)的微機(jī)保護(hù)單元，該單元可就地顯示相電壓、線電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等參數(shù)，可通過(guò)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(cè)量?jī)x表均采用設(shè)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(wú)功功率、功率因數(shù)等參數(shù)，通過(guò)MODBUS-RTU協(xié)議與PLC通信模塊CP341通信，監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。

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

其它高、低壓開(kāi)關(guān)，風(fēng)門(mén)限位開(kāi)關(guān)的信號(hào)均通過(guò)數(shù)字量輸入模塊與PLC連接。

2.2 風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

風(fēng)速、負(fù)壓、振動(dòng)、風(fēng)機(jī)電機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)主要由風(fēng)速、負(fù)壓、振動(dòng)、溫度傳感器和相應(yīng)變送器組成。

風(fēng)速傳感器安裝在風(fēng)機(jī)前端的風(fēng)道內(nèi)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)風(fēng)速變送器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳送至PLC模擬量輸入模塊。

負(fù)壓監(jiān)測(cè)是把風(fēng)機(jī)前端的風(fēng)道開(kāi)孔引風(fēng)接至負(fù)壓傳感器，經(jīng)過(guò)負(fù)壓變送器將負(fù)壓值轉(zhuǎn)換為4~20 mA信號(hào)引至PLC模擬量輸入模塊。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)由振動(dòng)傳感器和振動(dòng)位移變送器組成。

振動(dòng)傳感器分別安裝在風(fēng)機(jī)前、后軸承位置處的機(jī)殼垂直和水平方向上，用于檢測(cè)風(fēng)機(jī)的水平和垂直方向的振動(dòng)。振動(dòng)速度量轉(zhuǎn)換成位移量送入振動(dòng)位移變送器，振動(dòng)位移變送器將此位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電信號(hào)輸出，接至PLC模擬量輸入模塊。

風(fēng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)安裝三相定子和前后軸承，繞組溫度傳感器，兩套帶有標(biāo)準(zhǔn)RS485接口的16路溫度巡檢儀SWP就地顯示溫度及溫度報(bào)警狀態(tài)，溫度巡檢儀也通過(guò)MODBUS-RTU 協(xié)議與PLC 通信模塊CP341通信，在觸摸屏和上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示溫度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)軟件由風(fēng)機(jī)控制、參數(shù)監(jiān)測(cè)和通信三個(gè)子程序組成。PLC 編程軟件采用STEP7-V5.3，由PLC 完成各類(lèi)監(jiān)測(cè)參數(shù)的采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，再向后臺(tái)傳輸監(jiān)控信息并執(zhí)行后臺(tái)的指令。

風(fēng)機(jī)控制采用三級(jí)控制模式，即手動(dòng)/就地控制模式、觸摸屏集中控制模式和上位機(jī)遠(yuǎn)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(guò)PLC的一個(gè)CP341通信模塊給微機(jī)保護(hù)單元發(fā)送遙控命令，控制高壓開(kāi)關(guān)柜分、合閘，另一個(gè)CP341通信模塊給變頻器發(fā)送運(yùn)行、轉(zhuǎn)向指令及輸出頻率控制風(fēng)機(jī)起停;另一種方式，高壓柜分、合閘及變頻器運(yùn)行、轉(zhuǎn)向指令來(lái)自PLC數(shù)字量輸出模塊，通過(guò)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(fēng)門(mén)絞車(chē)及低壓系統(tǒng)控制通過(guò)數(shù)字量輸出模塊控制。

觸摸屏程序設(shè)計(jì)采用Easy Builder 500編程軟件，通過(guò)MT5-S7300通信電纜與PLC連接，直接讀取設(shè)置在PLC中的數(shù)據(jù)，控制高、低壓系統(tǒng)分合閘，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的正常啟停，風(fēng)門(mén)絞車(chē)的正常升降，實(shí)時(shí)觀測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)。觸摸屏如圖4所示。

PLC模擬量輸入模塊是自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的一個(gè)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(guò)模擬量輸入模塊采集風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，送上位機(jī)和觸摸屏動(dòng)態(tài)顯示。程序中設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)溫度超標(biāo)、電動(dòng)機(jī)振動(dòng)超標(biāo)報(bào)警程序，以此提高風(fēng)機(jī)及電機(jī)的運(yùn)行可靠性。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

1)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與風(fēng)機(jī)主輔設(shè)備集中控制;

2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拖動(dòng)電機(jī)電氣參數(shù);

3)顯示當(dāng)前運(yùn)行機(jī)號(hào)、正反轉(zhuǎn)信號(hào)、風(fēng)機(jī)開(kāi)停狀態(tài)等;

4)動(dòng)態(tài)顯示主通風(fēng)變電所高、低壓設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);

5)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，監(jiān)測(cè)參數(shù)可上傳到上位機(jī)與煤礦調(diào)度系統(tǒng)連接;

6)實(shí)現(xiàn)三級(jí)控制。

5 結(jié)語(yǔ)

基于PLC 的風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了觸摸屏和上位機(jī)兩級(jí)集中監(jiān)測(cè)和控制，為通風(fēng)系統(tǒng)及時(shí)維護(hù)和有效調(diào)節(jié)提供了可靠依據(jù)。本系統(tǒng)在該礦已運(yùn)行兩年，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，通信可靠，達(dá)到了節(jié)能的預(yù)期效果。實(shí)踐證明，風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)有力地保證了主通風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行，提高了礦井主通風(fēng)機(jī)設(shè)備的自動(dòng)化管理水平。