王 磊

（山西焦煤西山煤電東曲煤礦，山西 古交 030200）

引言

礦井通風系統(tǒng)主要通過通風設備將地面新鮮空氣沿設計路線、按照設計風量源源不斷輸送至礦井內各用風區(qū)域，同時將井下乏風抽排至地面，以便將井下有害氣體濃度稀釋至煤礦安全操作規(guī)程允許范圍內，為井下設備運行及安全生產提供必要條件。礦井通風系統(tǒng)主要包括主副通風機、風井、風門等部分，其中，主通風機是礦井通風系統(tǒng)的核心機械，也是風機監(jiān)測系統(tǒng)重要的監(jiān)測對象。應用先進的自動化系統(tǒng)既能實現(xiàn)對礦井主通風機的遠程監(jiān)控，又能集中監(jiān)測通風系統(tǒng)運行工況，測報并處理運行故障，是保證煤礦通風安全的根本途徑。

1 系統(tǒng)整體結構

1.1 結構構成

本研究所設計的基于PLC 控制器的礦井主通風機自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要采用先進的MCGS 組態(tài)軟件和S7-300 型PLC 控制器，可實現(xiàn)對煤礦主通風機運行過程中溫度、壓力、風量等變量的實時監(jiān)測，并基于所收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)在線繪制風量-電流、功率-風量、壓力等效能曲線[1]，體現(xiàn)主通風機實際運行工況。同時還具有系統(tǒng)故障預警、報表統(tǒng)計處理等輔助功能，其與調度中心主控站的連接通過工業(yè)以太網實現(xiàn)。監(jiān)控系統(tǒng)內主通風機均按照一主一備兩套設備的冗余結構設計[2]，當主設備出現(xiàn)運行故障，則備用設備立即投入運行。每臺風機均配備兩臺電壓10 kV 的高壓異步電動機，每臺電動機在出廠前均裝配三相定子及溫度傳感器；為調節(jié)風量及倒換風機，各風機風道內均應設置一扇地面風道閘門。每道閘門均由1 臺功率11 kW 的三相交流電動機拖動，旋轉風門則通過功率40 kW 的交流電動機拖動；為確保礦井主通風機附屬設施的可靠運行，還應增設2 臺總功率50 kVA的干式變壓器綜保裝置。

系統(tǒng)總體結構構成情況詳見圖1，S7-300 型PLC控制器為系統(tǒng)的核心，并設置有4 組SM321 直流輸入模塊、1 組SM322 直流輸出模塊、4 組SM321 通道模擬量輸入模塊、1 組SM332 通道模擬量輸出模塊；所采集到的主通風機系統(tǒng)運行參數(shù)主要通過各種傳感器傳輸至CPU 運算、處理。主通風機系統(tǒng)和高壓開關柜綜合保護裝置之間通過RS485 連接，便于綜保裝置開關量信息和開關柜模擬量信息等的實時讀取，采集并輸出電網電壓、運行電流、功率等參數(shù)。

圖1 基于PLC 控制器的礦井主通風機自動化監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

全部PLC 狀態(tài)、模擬量信息及控制點信息均通過PROFIBUS 接口輸入交換機，分配后再進入工業(yè)以太網，通過TCP/IP 協(xié)議高速光纖傳輸至調度中心主站。在煤礦中央控制室內設置遠程監(jiān)控中心，并借助TCP/IP 協(xié)議通過煤礦全局光纖網將現(xiàn)場測控部分接入中央控制室，以便對主通風機監(jiān)控系統(tǒng)實行集中管理。

1.2 參數(shù)監(jiān)測

1）溫度監(jiān)測：主通風機電機定子溫度及三相繞組溫度均通過風機內部測量電阻獲取，流體溫度則由JWB 防爆一體化溫度變送器測量取得，輸出信號5～20 mA，且均通過屏蔽雙絞線傳輸至多路溫度巡測儀，該儀器主要運行于0～50 ℃且相對濕度90%以下的環(huán)境中，精度可達到0.2～0.5 級。

2）風機啟停監(jiān)測：煤礦礦井交流驅動機電設備運行狀態(tài)主要由SG4KGT9 開停傳感器監(jiān)測，將所收集到的設備運行狀態(tài)信號轉換后傳輸至PLC，該傳感器主要應用新型抗干擾設計，安裝方便、能耗低、性能穩(wěn)定。

3）振動參數(shù)監(jiān)測：通常情況下，振動測試不包括在主通風機投運前的特性測試中，但包括在性能在線監(jiān)測中。TMS-HZD 一體化振動變送器集成了振動傳感器和精密測量電路，可與PLC 系統(tǒng)連接并安裝在旋轉裝置軸承蓋上，實現(xiàn)對振速或振幅的高精度測量。

4）壓力監(jiān)測：測點通常設置在風機入口處，并通過壓力傳感器將所得到的壓力信號成功轉換為5～20 mA 的標準電信號。

5）電氣參數(shù)：煤礦主通風機高壓開關為綜保裝置，可實現(xiàn)其配套電機負載、空載電壓、電流、功率及電網電壓、電流、功率等參數(shù)的采集及線路保護。

2 軟件設計

基于PLC 控制的礦井主通風機監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要由集中管理和分散控制兩個部分構成，前者主要采用MCGS 監(jiān)控系統(tǒng)軟件，后者則采用STEP-7 編程控制軟件。MCGS 監(jiān)控系統(tǒng)包括MCGS 組態(tài)環(huán)境和MCGS 運行環(huán)境兩部分，組態(tài)環(huán)境工具軟件可為用戶設計實際應用系統(tǒng)，運行環(huán)境則相對獨立完成組態(tài)設計目標功能。MCGS 監(jiān)控系統(tǒng)具有實時顯示通風機運行狀態(tài)、實時繪制曲線、實時報警、查詢數(shù)據(jù)報表、故障倒機等多項功能。

1）實時顯示通風機運行狀態(tài)。MCGS 監(jiān)控系統(tǒng)可以進行每臺通風機累計運行時間、入風口負壓、風筒流量、風門及檢修門工作狀態(tài)、制動器及釋放限位開關運行狀態(tài)、液壓泵站油箱實時溫度及油位、軸承溫度和繞組溫度、風機葉片開度、液壓站加熱器等電機運行工況的實時顯示，以反映通風機實際運行性能狀態(tài)。

2）曲線繪制。特性曲線體現(xiàn)的是風機風筒過氣流量和比功之間的對應關系，坐標原點為風機目前工況點，所在區(qū)域即體現(xiàn)風機效率值；氣體流量主要與風機入風口負壓傳感器和溫度傳感器以及入風口和輪轂間差壓傳感器測量值有關。功率-風量曲線是風機風筒所流經的氣體流量與電機軸功率關系的體現(xiàn)，電機軸功率為電機有功功率和傳動損耗系數(shù)之乘積[3]。

3）實時報警。在本研究所設計的基于PLC 控制器的礦井主通風機自動化監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，若通風機軸承溫度、喘振裕度、定子溫度等超出所設置的上限或開關量運行狀態(tài)異常，則屏幕上報警畫面將自動彈出，信號顏色也由綠變紅，報警燈持續(xù)出現(xiàn)聲、光報警信號。

4）查詢數(shù)據(jù)報表。系統(tǒng)運行當前時刻的實時數(shù)據(jù)可直接按照設定的報告格式顯示并打?。粴v史數(shù)據(jù)需要從數(shù)據(jù)庫內提取后按設計格式顯示并打印。

5）故障倒機。通風機在運行過程中如果發(fā)生故障，系統(tǒng)便自動倒換至另一臺通風機。這一過程中主要以界面預先設定的操作步驟為依據(jù)，在PLC 系統(tǒng)的控制下自動檢測需要倒換通風機的各項性能，待全部性能均滿足運行要求后按照設計步驟逐步實現(xiàn)倒機。

3 系統(tǒng)應用效果

本研究所設計的基于PLC 控制的礦井主通風機監(jiān)控系統(tǒng)應用后，溫濕度及有害氣體濃度傳感器和上位機分別與PLC 連接，PLC 與設備控制變頻器連接。工作人員可通過組態(tài)王上所顯示的監(jiān)控圖觀察、了解并記錄礦井內主通風機通風量及風速等實時變化過程；在運行調試過程中，通過人為調高系統(tǒng)溫度傳感器四周溫度或增大礦井內有害氣體濃度，則溫度傳感器立即感應到高溫或有毒氣體信號，并將該信號實時輸入PLC，PLC 系統(tǒng)便通過比較值法準確判斷出高溫或有毒氣體所在區(qū)域，并同時在上位機上通過高溫或有毒氣體預警燈顯示出來，此后，系統(tǒng)會自動啟動大風量模式，通過加快風速使礦井內局部溫度快速降低、有害氣體快速消散。與此同時，再通過人為方式調低溫度傳感器周圍溫度，則由溫度感應器所感應到的低溫信號同樣實時傳輸至PLC，PLC 系統(tǒng)將信號反饋至上位機，由上位機發(fā)出預警?？傊?，無論礦井溫度處于高溫還是低溫狀態(tài)，均可以通過PLC 控制的主通風機監(jiān)控系統(tǒng)調節(jié)供風量及風速，達到系統(tǒng)所設定的礦井安全水平，取得較好的控制效果。

4 結語

煤礦主通風機運行工況對礦井安全生產作用重大，對主通風機進行實時監(jiān)控也十分必要。本研究所設計的基于PLC 控制器的礦井主通風機自動化監(jiān)控系統(tǒng)以S7-300 型PLC控制器為監(jiān)控核心，選用性能優(yōu)良的傳感器、變流器等檢測裝置，實現(xiàn)對主通風機和配套設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測以及煤礦礦井正常通風和反風控制，使主通風機監(jiān)控自動化水平大大提高，也為煤礦礦井設備管理、運行維護提供了可靠依據(jù)。