基于PLC的煤矿风机自动监测控制系统研究

【摘 要】本文设计的煤矿通风机自动监测控制系统采用西门子S7300系列PLC作为下位机采集通风机的各个参数及瓦斯浓度，以变频器实现风机的变频调速，并用上位机实时显示并监测各个参数和系统的运行情况。该系统的应用能使风机始终保持在高效、经济的运行状态，降低了瓦斯事故发生率，使整个通风机系统更加安全可靠。

【关键词】PLC；变频器；通风机

引言

随着煤矿开采规模的不断扩大，瓦斯灾害问题日益突出。在煤矿安全生产中矿井通风系统起着极其重要的作用。矿井通风机因为承担着向井下输送新鲜空气、瓦斯气体排放的重任，是煤矿安全生产的关键设备，因此对矿井通风机的各个参数和瓦斯浓度的监控非常必要。由于通风机属于负荷平稳、启动不频繁的设备，所以传统的方式是采用交流鼠笼型电动机拖动的不调速电控系统，靠调节风门来调节风量。这种方式设备简单、初期投资小、可靠性较高，但是能耗大。同时，在实际开采过程中，随着采掘工作面的推移、采煤方法、井下工人数量及瓦斯涌出量的变化，通风机的正常运行和经济运行都要求进行风量调节。为了达到节能效果，通风机的风量调节可以改成通过调节风机转速来实现，也即是控制通风机的转速随着瓦斯浓度等参数的变化而自动调整，进而实现风量的自动调整，从而降低风机能耗，节省大量电能。随着变频调速技术和PLC控制器的快速发展，以PLC为控制核心结合变频器组成的控制系统因其可靠性高、抗干扰能力强、维修方便、节能等优点，已经成为各煤矿企业的首选。本文设计的煤矿风机自动监测控制系统采用西门子S7300系列PLC作为下位机采集通风机的各个参数及瓦斯浓度，以变频器实现风机的变频调速，以上位机来显示并监测各个参数和工作设备的运行情况。

1、风机自动监测控制系统要求

通风机自动监测控制系统在煤矿安全生产中起着非常重要的作用，该系统要能够对风机的各个参数进行实时监测，并根据监测结果实时调整风机的输出风量大小，同时，还要能够实现随时通过上位机界面的操作实现风机的启停、报警及故障处理等等。基于PLC的煤矿风机自动监测控制系统需实现的主要功能如下：

（1）通风机可以实现软启动，为了安全生产的需要，该系统要能够实现风机的变频和工频运行状态的自动和手动切换。

（2）当风机处于变频工作状态时，能够根据井下的实际情况，如风压、瓦斯浓度等参数的大小，实时进行风量的自动调节，以满足安全生产的需要。

（3）当检测到井下瓦斯浓度超过《煤矿安全规程》所规定的安全标准时，发出声光报警，并同时对通风机输出相应的控制信号，改变风量和风压等以排出瓦斯。

（4）实时检测风机的电量参数：电压、电流、功率等，实时监测风机前后轴温、振动情况，实时检测电机定子的温度。当以上参数超出设定值规定范围时，即触发系统的报警和故障处理功能，发出声光报警，并立即进行风机运行状态的切换。

（5）通过上位机界面实现人机互动功能：实时模拟显示风机系统运行状态图，并把实时监测数据在模拟运行画面上动态显示、按需求记录实时监测数据，记录报警事件，生成实时数据报表并打印，允许已授权的操作人员通过上位机界面直接控制风机的启停，以及对报警信号进行紧急处理等操作。

2、控制系统的组成及控制过程分析

2.1系统组成

如图1所示，基于PLC的煤矿风机自动监测控制系统，主要由PLC、变频器、风机、各种信号传感器、扩展的A/D转换模块、上位机、声光报警电路等组成。现分别介绍一下主要硬件的选择和功能要求。

2.1.1PLC

在本系统中PLC选择的型号是西门子的S7-300系列PLC。S7300是模块组合式PLC，由基板及模块组成，有多种基板可供选择，可根据实际需要构成不同的系统。本系统采用S7300系列的CPU作为核心处理单元，再根据系统实际需要选择相应的输入输出模块，可以方便地实现如下任务：①采集外界各设备的状态信号及模拟信号；②根据风压和瓦斯浓度等信号确定向变频器输出控制信号大小；③若外部设备故障，PLC接通报警装置，实现故障报警；和上位机通讯。

2.1.2变频器

变频器在系统中的功能是：变频器直接控制电机，通过调速来驱动风机工作，从而提高了风机的传动效率。使用变频器后，电机的输入功率明显减少，运行工况明显改善，控制精度高，响应速度快，节约电能，使整个系统工作平稳。本系统中的变频器可采用西门子变频器MM430，MM430是泵类和风机专用变频器，功率范围在7.5KW～250KW，使用内部互联技术，具有很高的可靠性和灵活性。MM430采用线性V/f控制，并带有增强电机动态响应和控制特性的磁通电流控制（FCC），内置PID控制器，集成485通讯接口，带有完善的过电压、欠电压、变频器过温、短路保护等等。控制软件可以实现专用功能：多路切换，手动/自动切换，节能运行方式等。

2.1.3监测传感器

系统传感器主要有振动传感器、温度传感器、瓦斯传感器和风压传感器组成。各传感器具体功能如下：

振动传感器：主要用来检测电机的前后水平垂直的振动参数，转换成0～20mA的电流信号，送入PLC的模拟量输入模块。

温度传感器：采用高集成度的温度变送器，主要监测风机工作时的电机轴承温度和联轴器温度，并将该温度值转换成电信号送给PLC，PLC把当前温度与设定温度进行比较，一旦温度超过设定温度，则启动对应的处理程序。

瓦斯传感器：采用专门用于监测煤矿瓦斯气体浓度的集成式瓦斯浓度变送器，主要是实时检测井下瓦斯浓度并自动转换成电信号送给PLC，PLC再根据测得的瓦斯浓度的大小确定送给变频器的控制信号，进而调节风机的转速，控制风机的输出风量。

风压传感器：由于风量与差压存在对应关系，所以风量的检测可以采用工程检测方法，即用压力传感器测得差压，再根据差压计算出风量。因此系统可选用压力变送器，测点选择在风机的入口，将取得的压力信号、负压信号转换成电信号。