矿用通风机监控系统中PLC控制技术

[摘 要]在一般煤矿安全生产中，矿井局部通风机是保证煤矿安全生产的主要设备之一。主要将轴流风机作为控制对象，同时结合PLC控制技术、变频调速技术和组态监控技术，对该矿井局部通风机进行PLC控制的变频调速监控，实现通风机的正常工作变频调速以及出现故障状态下的正常倒机等功能的远程监控。

[关键词]通风机 PLC 变频调速 监控系统

中图分类号：TP393.08 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0234-01

引言

在煤矿开采安全生产中，矿井布局通风机保障了井下开采的正常通风需求，在生产中的作用非常重要。矿井通风机运行工况的好坏直接关系这矿井开采的安全顺利进行。笔者结合组态工控监控软件、变频器技术和PLC控制技术设计了煤矿井下局部通风机的在线监测系统。同时，多次模拟测试和调试了整个系统的运行情况，验证了该矿井通风机系统对采掘工作面瓦斯浓度变化以及管网阻力增加等方面能够有效地完成风速、风量的调节。当出现变频器故障和通风机出气风量故障时，变频控制器能够实现自动报警功能，同时在矿井通风机监控系统界面上出现备用风机启动对话框，增加了矿井通风的可靠性。

1.矿井通风机监控系统功能

（1）该系统采用山东矿井科技有限公司生产的组态王工业控制软件，该软件可以实时显示每个通风机的运行参数及数据，如轴流式电机的启动电压、运行温度、电流量，每个通风机的风压，风机转速，巷道瓦斯浓度，工作面瓦斯浓度以及巷道风速、流量等参数。

（2）矿井通风机监控系统界面具有启动控制通风机功能，操作人员在不接触通风机的情况下实现软启动，此外，界面功能该提供操作人员的工频运行、手动变频以及自动变频，从而可以实现每个通风机和备用通风机的工作切换。

（3）监控系统可以在通风机运行时实时的监测所有通风参数，将采集的参数和系统设定值进行比对，如风速超限比对、风量超限比对、开关量状态是否异常等等，如果出现参数异常或者超限，系统界面会自动弹出监测结果并进行声光报警。系统数据库会利用应用程序自动将异常或超限信息存储，最后打印故障报表，以便维修人员和监测人员对故障进行分析和统计。

（4）当通风机出现故障时，矿井通风机监控系统会发出声光报警信息，同时组态王工控软件会弹出启动备用风机确认对话框。操作员可以按照需求选择“是”和“否”。选择“否”或者在倒计时内未作出选择，为了通风机安全考虑，系统会自动切断风机电源；如果选择“是”，则切断故障风机电源，启动备用风机。

（5）组态王监控软件画面利用历史曲线和实时曲线功能来完成对通风机系统运行参数的主要数据显示。技术人员可以将实时曲线和历史曲线进行对比，从而判断出风机当前的运行是否为故障运行，如果为故障运行，相关人员可以根据曲线判断出故障类型来制定相应的处理方案。

（6）矿井通风机监控系统和井下工控网络的连接是通过现场总线Profibus-DP来实现的，此外，井下通风机监控机房内还备有因特网和办公网络相连接的工业以太网，从而达到了远程控制组态工控软件的及风机的目的。

2.矿井通风机控制系统的构成

为了使研究简化，笔者采用两台6千瓦的小型轴流式矿井通风机作为控制对象，PLC控制变频器是西门子公司生产的XQS-110系列工业变频器，该系列变频器可以稳定的控制通风机的变频调速，故障率低，运行可靠。采用变频器和控制模量端子的连接方式来构件PLC，可以实现矿井通风机的停车、报警以及询问是否启动备用通风机等功能，此外还可以实现通风机的工频运行、自动变频以及手动变频功能。矿井通风机监控系统分为现场测量层、中间控制层以及远程控制层三个层次。

（1）现场测试层

现场测试层主要负责各种测试参数数据的采集，如压力传感器数据、风机速度传感器数据以及现场瓦斯传感器数据。采集完数据后先利用A/D转换模块将采集到的模拟信号转换为系统能够识别的数字信号，最后将转换完的数字信号输入到PLC中以备处理。

（2）中间控制层

PLC将各种传感器通过A/D模块转换后的数字信号处理为系统参数，然后比对程序设计时设定的风机运行安全范围值，进过比对运算后，如果参数在安全范围内则不做任何操作，风机继续运行；如果其中一个或以上参数超出了安全值范围，系统会控制PLC调整风机转速，直到每个运行参数都完全正常位置。如果矿井通风机在运行过程中出现故障或者运行工况异常，则系统会发出警报，PLC会通过网络向远程计算机发出启动备用风机警报，并等待远程操作客户端的反馈信息。

（3）远程监控层

如果通风机正常运行时，监控系统的客户端会将常用画面锁定在监控画面上，监控画面上显示实时曲线，该曲线会随着通风机风压、通风机转速以及巷道瓦斯浓度三个参数进行实时更新。一旦通风机出现故障或者运行异常，系统会发出声光报警，并在监控换面中弹出是否启动备用通风机对话框。以便技术人员对故障进行了解和制定相应的处理方案。

3.矿井通风机系统硬件构成

本系统将西门子公司生产的SQT-350系列工业控制CPU作为PLC的中央处理器，采用三星公司生产的EM235系列模块为PLC的扩展模块；使用两台6.8千瓦的电机作为矿井通风机的动力输出，分别配备两台矿用泵类专业变频器TY350；采用西门子公司的UO-110系列微压差变送器作为压力传感器，该传感器的量程为0-5.5kPa，风机转速传感器为西门子UIT-25光电传感器，瓦斯传感器为国产矿用低浓度甲烷瓦斯传感器。

4.矿井风机监控系统的软件构成

工频工作、自动变频以及手动变频是PLC主程序运行所实现的三个主要功能，在程序运行过程中需要对每个子程序进行中断和调用设置。首先要设置变频器故障报警和瓦斯浓度超限报警。在矿井风机监控系统启动后，系统会先判断变频控制类型，如果变频控制类型为自动变频，系统就将初始化子程序调用，并将模拟量模块子程序设置为检查状态，如果检查出用户电源问题或者模拟量模块连接问题，系统就会中断主程序等待维护；如果用户电源和模拟量模块没问题，系统就会调用其他子程序，以此类推。在连接中断子程序时，系统首先要对中断时间进行设定，然后对变频器故障进行判断。如果变频器没有发生故障则进入瓦斯浓度超限判断子程序。如果收集到的瓦斯传感器数据在安全范围内，则将风机风压在系统中算法计算出的电压模拟之传输给变频器，从而达到对矿井通风机变频调速的目的。如果监测到瓦斯超限，系统会立刻关闭主程序，以便风机启动会产生电火花造成瓦斯爆炸。

如果上述判断是建立在系统不是自动变频状态下，则进行手段变频判断。启动过程和上问相同。

5.结论

在煤矿风机实验室条件下利用组态技术和PLC很好的进行了风机运行模拟，完成了基于局域网的风机远程备用启动和变频调速要求。本系统对煤矿井下通风机的安全运行提供了可靠的保障，能够有效的控制工作面、巷道、运输系统等区域的风压、风速、瓦斯等等，为煤矿企业安全生产保驾护航。

参考文献

[1] 况世华，何丽华. 矿用通风机发展概述[J]. 云南冶金. 2008（06）

[2] 安装和运转ВЦД31.5M2矿用通风机[J]. 煤矿安全. 2011（05）

[3] 李金华. 国内矿用通风机的现状与发展[J]. 煤矿机械. 2013（05）

[4] 姜丽华. 矿用通风机技术改造方案的选择[J]. 矿山机械. 2004（03）