中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心 曹文燕

0 引言

對(duì)于傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制方式，風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期處于全功率下運(yùn)行，為滿足煤炭安全設(shè)計(jì)規(guī)程對(duì)礦井通風(fēng)的要求，一般采用調(diào)節(jié)導(dǎo)葉角方式控制風(fēng)量及風(fēng)壓，造成大量電能浪費(fèi)。在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)通風(fēng)機(jī)的控制除電能存在浪費(fèi)現(xiàn)象外，還存在一定的環(huán)境污染問(wèn)題。一般煤礦采用抽出式通風(fēng)方式，通風(fēng)機(jī)將礦井巷道里的空氣抽出，排放到大氣中，其中必然包含大量的粉塵及甲烷、一氧化碳等大量可燃的有害氣體，造成空氣污染。鑒于以上問(wèn)題，對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的改造是很有必要的。并且目前煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)，大多仍采用繼電、接觸器控制系統(tǒng)，但這種控制系統(tǒng)存在著體積大、機(jī)械觸點(diǎn)多、接線復(fù)雜、可靠性低、排除故障困難等很多的缺陷；且因工作通風(fēng)機(jī)一直高速運(yùn)行，備用通風(fēng)機(jī)停止，不能輪休工作，易使工作通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生故障，降低使用壽命。

針對(duì)上述這一系列問(wèn)題，本系統(tǒng)將PLC與變頻器有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，采用以礦井氣壓壓力為主控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)工作過(guò)程和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的有效控制，使礦井中的通風(fēng)機(jī)通風(fēng)高效、安全，達(dá)到了明顯的節(jié)能效果。PLC控制系統(tǒng)具有對(duì)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的電機(jī)過(guò)熱保護(hù)、故障報(bào)警、機(jī)械故障報(bào)警和瓦斯?jié)舛葦嚯姷裙δ芴攸c(diǎn)，為煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造提供一條新途徑。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能

本控制系統(tǒng)具有通風(fēng)機(jī)組的啟動(dòng)、互鎖和過(guò)熱保護(hù)等功能。與常規(guī)繼電器實(shí)施的通風(fēng)系統(tǒng)相比，PLC系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，PLC的控制功能使通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。PLC和變頻器與空氣壓力傳感器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的故障率大大降低，不僅節(jié)約了電能，而且還提高了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。為滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制的要求，系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要求如下：

（1）本系統(tǒng)提供手動(dòng)/自動(dòng)2種工作模式，具有狀態(tài)顯示以及故障報(bào)警等功能。

（2）模擬量壓力輸入經(jīng)PID運(yùn)算，輸出模擬量控制變頻器。

（3）在自動(dòng)方式下，當(dāng)井下壓力低于設(shè)定壓力下限時(shí)，2組風(fēng)機(jī)將同時(shí)投入工作運(yùn)行，同時(shí)并發(fā)出指示和報(bào)警信號(hào)。

（4）模擬量瓦斯輸入，當(dāng)?shù)V井瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定報(bào)警上限時(shí)，發(fā)出指示和報(bào)警。當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定斷電上限時(shí)，PLC將切斷工作面和風(fēng)機(jī)組電源，防止瓦斯爆炸。

（5）運(yùn)用溫度傳感器測(cè)定風(fēng)機(jī)組定子溫度或軸承溫度，當(dāng)定子溫度或軸承溫度超過(guò)設(shè)定報(bào)警上線時(shí)，發(fā)出指示和報(bào)警信號(hào)。當(dāng)定子溫度或軸承溫度超過(guò)設(shè)定風(fēng)機(jī)組轉(zhuǎn)換溫度界線時(shí)，PLC將切斷指示和報(bào)警信號(hào)并自動(dòng)切斷當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)機(jī)組，在自動(dòng)方式下并能自動(dòng)接入另一臺(tái)風(fēng)機(jī)組運(yùn)行，若在手動(dòng)方式下，工作人員手動(dòng)切換[1]。

（6）為防止風(fēng)機(jī)的疲勞運(yùn)行，在任何狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)在累計(jì)運(yùn)行設(shè)定時(shí)間后都會(huì)自動(dòng)切換至另一臺(tái)風(fēng)機(jī)組運(yùn)行。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

通風(fēng)控制系統(tǒng)主要由2臺(tái)風(fēng)機(jī)組成，每臺(tái)風(fēng)機(jī)有2臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一組扇片，2組扇片是對(duì)旋的，一組用于吸風(fēng)，一組為增加風(fēng)速，對(duì)井下進(jìn)行供風(fēng)。根據(jù)井下用風(fēng)量的不同，采用不同型號(hào)的風(fēng)機(jī)。本設(shè)計(jì)以風(fēng)機(jī)2×45 kW為例，選用一臺(tái)S72200 PLC、空氣壓力傳感器和變頻器等組成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中還包括接觸器、中間繼電器、熱繼電器、礦用防爆型磁力啟動(dòng)器、斷路器等系統(tǒng)保護(hù)電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和PLC的有效保護(hù)，以及對(duì)電機(jī)的切換控制。本PLC控制系統(tǒng)具有對(duì)通風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)與運(yùn)行，進(jìn)行監(jiān)控、聯(lián)鎖和過(guò)熱保護(hù)等功能。PLC與空氣壓力傳感器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的故障率大大降低，提高了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率[2]。其控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為滿足煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制的要求，設(shè)計(jì)如下的控制方案：本系統(tǒng)提供手動(dòng)/自動(dòng)2種工作模式，具有現(xiàn)場(chǎng)控制方式、狀態(tài)顯示以及故障報(bào)警等功能。

在手動(dòng)方式下，通風(fēng)機(jī)通過(guò)開關(guān)進(jìn)行控制，不受礦井內(nèi)氣壓的影響。為防止通風(fēng)機(jī)疲勞運(yùn)行，在任何狀態(tài)下風(fēng)機(jī)在累計(jì)運(yùn)行設(shè)定時(shí)間后要切換至另一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行。A組通風(fēng)機(jī)與B組通風(fēng)機(jī)可由二位開關(guān)轉(zhuǎn)換。循環(huán)次數(shù)及定時(shí)時(shí)間可根據(jù)需要隨機(jī)設(shè)定。報(bào)警信號(hào)均為聲光形式，聲報(bào)警（電笛）可用按鈕解除，報(bào)警指示在故障排除后自動(dòng)消失。

在自動(dòng)方式下，利用遠(yuǎn)傳空氣壓力傳感器檢測(cè)礦井內(nèi)的氣壓信號(hào)，用變送器將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如4～20mA直流電流信號(hào)、0～5V直流電壓信號(hào)等），送入A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入PLC，PLC將檢測(cè)到的氣壓值與設(shè)定的氣壓值進(jìn)行比較和處理，輸出信號(hào)控制通風(fēng)機(jī)工作。當(dāng)?shù)V井內(nèi)的氣壓在一個(gè)大氣壓或在設(shè)定的某個(gè)大氣壓力數(shù)值以上，工作通風(fēng)機(jī)與備用通風(fēng)機(jī)循環(huán)工作；當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事故，礦井內(nèi)的氣壓低于設(shè)定的某個(gè)大氣壓力數(shù)值，工作通風(fēng)機(jī)與備用通風(fēng)機(jī)不再循環(huán)工作，并自動(dòng)切換為同時(shí)工作，加大對(duì)礦井內(nèi)的通風(fēng)量，直至礦井內(nèi)的氣壓升至設(shè)定的大氣壓力數(shù)值以上，工作通風(fēng)機(jī)與備用通風(fēng)機(jī)恢復(fù)循環(huán)工作[3]。

在有瓦斯的礦井供風(fēng)系統(tǒng)中，礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測(cè)瓦斯?jié)舛?，用變送器將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送入A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，然后送入PLC，同樣PLC將檢測(cè)到的數(shù)值與設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定數(shù)值后，PLC輸出信號(hào)控制通風(fēng)機(jī)停止工作，并輸出信號(hào)自動(dòng)切斷井下的電源，滿足風(fēng)電聯(lián)鎖要求，以免電子火花點(diǎn)著瓦斯，防止瓦斯爆炸事故發(fā)生。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)主電路

圖2 I/O接線圖

系統(tǒng)主電路由4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，一臺(tái)智能型電控柜（包括西門子變頻器、PLC、交流接觸器、繼電器等），一套壓力傳感器、斷相相序保護(hù)裝置以及供電主回路等構(gòu)成。該系統(tǒng)的核心是S7-200（CPU224）和M ICROMASTER430。M ICROMASTER 430是泵和風(fēng)機(jī)類專用變頻器，擴(kuò)展功能強(qiáng)[4]。CPU224集成了14點(diǎn)輸入10點(diǎn)輸出，共有24點(diǎn)數(shù)字量I/O，其模擬量擴(kuò)展模塊具有較大的適應(yīng)性和靈活性，且安裝方便，滿足設(shè)計(jì)需要。其系統(tǒng)主電路圖分別如圖2和圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主電路

2.2.2 系統(tǒng)控制電路

如圖4所示，Q0.0～Q0.7為PLC輸出軟繼電器觸點(diǎn)，其中Q0.0、Q0.2、Q0.4、Q0.6控制變頻運(yùn)行電路；Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7控制工頻運(yùn)行電路。SA為轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)控制切換。當(dāng)SA切在手動(dòng)位時(shí)，通過(guò)SB1～SB4按鈕分別起動(dòng)4臺(tái)水泵工頻運(yùn)行，SB5～SB8按鈕分別停止4臺(tái)風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行。當(dāng)SA在自動(dòng)位時(shí)，由PLC控制水泵進(jìn)行變頻或工頻狀態(tài)的起動(dòng)、切換、停止運(yùn)行。

圖4 系統(tǒng)控制電路

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)除部分為順序控制外，從總體上來(lái)看具有隨機(jī)離散控制的特點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的流程圖如圖5所示。設(shè)定由瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱾魉蛠?lái)的瓦斯?jié)舛戎禐镈，用戶設(shè)定不能超過(guò)的瓦斯?jié)舛戎禐镈0，氣壓傳感器傳來(lái)的壓力為F1，用戶要求的礦井內(nèi)氣壓值為F2。

圖5 系統(tǒng)總流程圖

由圖5可知，按下啟動(dòng)鍵后，首先檢測(cè)是否手動(dòng)，如果是則手動(dòng)控制操作，否則就自動(dòng)正常運(yùn)行；接著檢測(cè)礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛戎岛痛髿鈮毫χ?，進(jìn)行處理判斷。若D>D0，則通風(fēng)機(jī)與礦井下供電電源聯(lián)鎖停止工作并報(bào)警，否則比較判斷F1與F2的大小，若F1>F2，進(jìn)入風(fēng)機(jī)輪休控制子程序，啟動(dòng)A風(fēng)機(jī)，A風(fēng)機(jī)運(yùn)行一定時(shí)間后，啟動(dòng)B組風(fēng)機(jī)工作，A組風(fēng)機(jī)停止。否則2臺(tái)通風(fēng)機(jī)同時(shí)參與工作。

3 總結(jié)

利用PLC變頻器和風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)備的操作和維護(hù)方便，節(jié)省能耗，同時(shí)也大大地提高了煤礦生產(chǎn)的安全系數(shù)。另外還可以根據(jù)需要配置相應(yīng)的通信模塊，很方便地組成集散式控制系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的推廣價(jià)值。

[1]殷洪義．可編程控制器選擇、設(shè)計(jì)與維護(hù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

[2]周九寧．可編程控制器在礦山設(shè)備中的應(yīng)用[J]．采礦技術(shù)，2004，4（1）：45-46．

[3]彭桂力，劉知貴．集中供熱鍋爐控制系統(tǒng)的PLC控制[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2006（9）：75-77．

[4]馬寧，孔紅．S7-300PLC和MM 440變頻器的原理與應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．