胡 峰

中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400039

主通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)是保障通風(fēng)機正常運行的關(guān)鍵，其自動化水平具有重要意義。花山煤礦通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)存在人工手動操作、人為判斷故障、自動化程度低等問題，筆者設(shè)計了 AB1756 系列 PLC 為控制核心的通風(fēng)機系統(tǒng)。實現(xiàn)了通風(fēng)機系統(tǒng)實時在線監(jiān)控。該系統(tǒng)不僅提供報警記錄、運行記錄、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報表查詢、視頻圖像等功能，而且能夠在花山煤礦現(xiàn)有設(shè)備條件下實現(xiàn)一鍵全自動倒機和反風(fēng)操作，為煤礦安全生產(chǎn)提供了有力的保障。

1 主要受控設(shè)備

花山煤礦通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)主要受控設(shè)備為：①2 臺煤礦防爆壓入式對旋軸流通風(fēng)機；② 2 臺風(fēng)門絞車；③2 臺電力變頻器，變頻器對風(fēng)機的兩級電動機進行一拖二變頻控制；④ 6 臺高壓開關(guān)柜及 3 臺備用開關(guān)柜；⑤ 2 臺低壓開關(guān)柜。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

通風(fēng)機系統(tǒng)的高壓供電和低壓供電均采用雙回路供電方式，同時系統(tǒng)采用變頻控制。通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of monitoring system for ventilator

為保證通風(fēng)機系統(tǒng)監(jiān)控的可靠性，系統(tǒng)采用硬件冗余架構(gòu)，由 2 臺互為硬件冗余的 PLC 同時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，確保系統(tǒng)的可靠性、安全性。系統(tǒng)的工程師站由 2 臺工控機組成，互為備用，由 1 臺 UPS 統(tǒng)一供電。系統(tǒng)的傳輸層依靠礦方已建成的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，通過該環(huán)網(wǎng)保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性。現(xiàn)場執(zhí)行層主要由高壓開關(guān)、低壓開關(guān)、電力變頻器、PLC 控制柜、風(fēng)門絞車控制箱、溫度巡檢儀、壓力傳感器、振動傳感器、開停傳感器和電量模塊等組成。

3 程序設(shè)計

3.1 硬件組態(tài)設(shè)計

現(xiàn)場采用 AB 1756 PLC 為控制核心，硬件組成包括 1 個 CPU 電源模塊、1 個 1756-L71 CPU 模塊、1個 1794-AENTR 雙網(wǎng)口以太網(wǎng)通信模塊、1 個 1756-EN2TR ENT 雙網(wǎng)口以太網(wǎng)通信模塊、2 個 1794-IB32/A DI 模塊、1 個 1794-OB32/A DO 模塊、1 個1794-OB16/A DO 模塊、2 個1794-IE12/A AI 模塊、1 個 1794-IE4*OE2/B AIAO 模塊。其中 1794-AENTR以太網(wǎng)通信模塊下面掛載了所有的 DI、DO、AI、AIAO 模塊。CPU 模塊通過以 1756-EN2TR ENT 太網(wǎng)通信模塊與 AENTR 以太網(wǎng)通信模塊連接，實現(xiàn)所有模塊與 CPU 模塊的通信。PLC 硬件組態(tài)如圖 2 所示。

圖2 PLC 硬件組態(tài)Fig.2 PLC hardware configuration

3.2 PLC 軟件流程設(shè)計

主通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)的自動化程序采用模塊化的設(shè)計，分為信號循環(huán)檢測程序、一鍵啟動程序、一鍵停止程序、一鍵倒機程序、一鍵反風(fēng)程序。PLC 控制流程如圖 3 所示。

圖3 PLC 控制流程Fig.3 PLC control flow

3.2.1 信號循環(huán)檢測

信號循環(huán)檢測程序主要檢測主通風(fēng)機的風(fēng)門狀態(tài)、電動機開停狀態(tài)、絞車控制箱狀態(tài)、負壓傳感器值、差壓傳感器值、振動傳感器值、風(fēng)門位置、風(fēng)門傾斜角度、低壓開關(guān)分合閘狀態(tài)。同時利用 485 通信循環(huán)讀取高壓開關(guān)的狀態(tài)參數(shù)、變頻器的狀態(tài)參數(shù)、溫度巡檢儀采集到的通風(fēng)機電動機溫度值等狀態(tài)信息。

3.2.2 一鍵啟動

一鍵啟動程序主要實現(xiàn)操作人員在遠程控制模式下一鍵啟動相應(yīng)通風(fēng)機設(shè)備。一鍵停止程序主要實現(xiàn)操作人員在遠程控制模式下，一鍵停止相應(yīng)通風(fēng)機設(shè)備。

3.2.3 一鍵倒機

一鍵倒機控制程序是在高低壓供電開關(guān)、風(fēng)機變頻器、風(fēng)門均正常的情況下，實現(xiàn)通風(fēng)機系統(tǒng)的全自動倒機。

首先，系統(tǒng)檢測高低開關(guān)、變頻器是否正常，如果有故障，則報警終止流程。其次，系統(tǒng)進入主通風(fēng)機變頻器降頻Ⅰ階段，主變頻器輸出頻率由 50 Hz 降至 10 Hz，此時主通風(fēng)機變頻器進入降頻 Ⅱ 階段，與此同時，同步進行主通風(fēng)機風(fēng)門關(guān)閉和備用通風(fēng)機風(fēng)門打開操作。風(fēng)機在 10 Hz 條件時運行，風(fēng)流對風(fēng)門的升降基本無影響。因此在 10 Hz 時，對主備用通風(fēng)機風(fēng)門進行同步操作。該操作比原來所用時間節(jié)省了85 s。再次，主變頻器輸出頻率由10 Hz 降至 0 Hz，主通風(fēng)機變頻器停機，同時合閘備用通風(fēng)機變頻器高壓開關(guān)。最后，系統(tǒng)檢測到各備通風(fēng)機高壓開關(guān)合閘，風(fēng)門開到位，同時主通風(fēng)機風(fēng)門關(guān)到位后，便啟動備用通風(fēng)機變頻器，分閘主通風(fēng)機高壓開關(guān)，待備用通風(fēng)機頻率由 0 Hz 上升至 50 Hz 時，整個倒機過程完成。倒機過程中發(fā)生任何故障，系統(tǒng)都會報警終止流程。

倒機時間

式中：Td為通風(fēng)機頻率由 50 Hz 降至 10 Hz 所用時間，s；Tm為通風(fēng)機主風(fēng)門關(guān)閉，同時備用通風(fēng)門打開時間，s；Tu為通風(fēng)機頻率由 0 Hz 上升至 50 Hz 所用時間，s。

變頻器啟動輸出頻率上升時間和變頻器停機輸出頻率下降時間均由變頻器廠家根據(jù)通風(fēng)機工況條件設(shè)定，為每 2.5 s 升頻或者降頻 1 Hz。

3.2.4 一鍵反風(fēng)

一鍵反風(fēng)控制程序是操作人員在遠程控制模式下一鍵實現(xiàn)通風(fēng)機系統(tǒng)的全自動反風(fēng)。

首先，檢測系統(tǒng)運行的變頻器；其次，變頻器輸出頻率由 50 Hz 降至 0 Hz；最后，系統(tǒng)打開變頻器反向運行模式，同時啟動通風(fēng)機變頻器，待通風(fēng)機頻率由 0 Hz 上升至 50 Hz 時，整個反風(fēng)過程完成。反風(fēng)過程中發(fā)生任何故障，系統(tǒng)都會報警終止流程。

反風(fēng)時間

式中：Td1為通風(fēng)機頻率由 50 Hz 降至 0 Hz 所用時間，s；Tu1為通風(fēng)機頻率由 0 Hz 上升至 50 Hz 所用時間，s。

3.3 風(fēng)量計算模塊設(shè)計

3.3.1 理論計算

根據(jù)花山煤礦現(xiàn)場實際情況系統(tǒng)采用靜壓差法對通風(fēng)機風(fēng)量風(fēng)速計算。通風(fēng)機靜壓監(jiān)測點布置如圖 4所示。

圖4 靜壓傳感器安裝位置Fig.4 Installation position of static pressure sensor

通風(fēng)機風(fēng)量

式中：k為能量損失系數(shù)，一般為 0.96～0.99；S1為集流器處的橫截面積，m2；S2為機體處的橫截面積，m2；p1為集流器處的靜壓，Pa；p2為機體處的靜壓，Pa；ρ為測量截面氣流密度，取ρ＝1.2 kg/m3。

假設(shè)通風(fēng)機測點處的橫截面積為S，則測點處的風(fēng)速

3.3.2 軟件設(shè)計

風(fēng)量風(fēng)速程序模塊如圖 5 所示。Big_dim 為集流器處橫截面半徑；Small_dim 為機體處橫截面半徑；Core_dim 為機體處一級電動機殼體半徑；ChaYa 為集流器處與機體處的壓力差。

圖5 風(fēng)量風(fēng)速程序模塊Fig.5 Wind volume and wind speed program module

4 工程師站

工程師站如圖 6 所示。工程師站采用 AB Factory Talk View 設(shè)計，畫面簡潔美觀，圖表功能強大。通過工程師站，操作人員可以實時了解通風(fēng)機運行狀況，同時還能對通風(fēng)機系統(tǒng)進行一鍵倒機、一鍵反風(fēng)操作。工程師站直觀地展示了通風(fēng)機的風(fēng)速、風(fēng)量、壓力、溫度、振動、變頻器頻率、電動機參數(shù)、風(fēng)門傾斜角度、風(fēng)門位置等關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，同時提供了實時報警、實時數(shù)據(jù)及報表查詢和現(xiàn)場視頻圖像錄制等功能。

圖6 工程師站Fig.6 Engineer station

5 結(jié)語

通過在花山煤礦現(xiàn)場實際應(yīng)用表明，通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)具有安全可靠、操作簡單、易于維護等特點。該系統(tǒng)可直觀地展示通風(fēng)機控制系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)、報警狀態(tài)、運行狀態(tài)、圖像信息，為系統(tǒng)正常啟停、一鍵倒機、一鍵反風(fēng)提供有力的操作依據(jù)和判斷依據(jù)。該系統(tǒng)的一鍵倒機程序和一鍵反風(fēng)程序?qū)F(xiàn)有條件下的通風(fēng)機系統(tǒng)倒機和反風(fēng)時間控制在 5 min 以內(nèi)，不僅大大提升了倒機和反風(fēng)效率，而且為故障狀態(tài)下人為干預(yù)操作提供了充足的時間，滿足了煤礦安全規(guī)程規(guī)定的 10 min 內(nèi)完成主通風(fēng)機倒機和反風(fēng)的要求。