煤矿主扇风机控制系统PLC改造分析

[摘 要]介绍了作者结合日常维护和对PLC系统控制的理解，针对主扇通风机继电器控制系统存在的问题，阐述了PLC控制系统的优点，改造设备硬件选型和改造继电器控制系统需要解决的问题。

中图分类号：TD547 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）13-0089-01＼

0 前言

主扇通风机的作用就是把地面新鲜空气送入井下，供工人呼吸，同时把有害气体从井下排出，使有害气体的浓度降到对人体无害的程度，保证井下工人拥有良好的工作环境，因此，在现代化矿井中称主扇通风机为“矿井之肺”，对煤矿的安全生产起着非常大的作用，所以煤矿主要通风机均使用两台，一台运行一台备用，根据规程要求当运行风机发生故障时，十分钟内必须启动备用风机，以保证井下矿工的生命和生产的安全。新陆煤矿现用主扇风机为BDK-8-N02.8 型，电控系统为阿城继电器股份有限公司产品，为继电器控制系统， 2005年安装使用至今已7年多，电控设备也开始出现老化现象，故障率提高。因为使用大量的继电器，触点众多造成容易发生故障的点很多，而且发生故障后不能及时发现，等到需要倒机操作时才会发现问题，一旦发生故障需要参照图纸判断查找费时费力，不能保证快速处理故障；同时因为控制回路使用直流220V电源，对控制电源的要求比较高，一些老式直流继电器，控制系统生产厂家已经不生产，部件一旦损坏，采购也比会较困难，对主扇的安全运行造成影响。所以我设想使用PLC对主扇控制系统进行改造，PLC（可编程序控制器）是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代通用工业自动控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有体积小、功能强、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单可以与显示设备和各种工业控制设备进行通讯等优点。

1 使用PLC对主扇控制系统进行改造的优点

（1）使用PLC进行主扇控制系统改造可以在保证使用安全的情况下，简化控制线路，因为原有的控制系统有相当一部分线路和设备是为了实现各种状态显示和故障显示而使用的，采用PLC控制后可以节省大量的仪表显示和指示灯及线路，使系统线路简化，发生故障时容易查找。

（2）增加故障判断及系统状态显示功能，可以对系统中的设备、开关及触点状态进行实时监控，并在上位机画面显示出来，通过对输入PLC各种数字量和模拟量的采集和处理，在程序中进行逻辑判断和数据处理，及时发现设备存在的故障并输出报警信息，提醒维修人员进行处理，还可以对司机的操作过程进行监视，及时发现操作中存在的错误，保证风机的运行安全。

（3）使用高速计数模块和编码器对风门进行控制，直接控制风门上提和下放行程，使之控制更加精确。设备控制和显示可以使用西门子MP277 8触摸屏，该触摸屏适用于工业控制现场，具有抗干扰能力强、抗冲击震动、设备寿命长、显示画面分辨率高等优点。

（4）变频调速是近年来发展起来的一门新兴的自动控制技术，它利用改变被控对象的电源频率，成功实现了交流电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最佳运行状态，在整个调速范围内都有很高的效率，尤其应用在通风机上，节能效果更加明显， PLC控制系统可以根据设备运转要求直接对变频器进行控制，实现对风机电动机的调速控制。

（5）PLC具有通讯功能，可以与计算机直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，从而实现信息的交换，满足实现远程监控或与其他控制设备通信的要求。

2 PLC改造的硬件设备选型

根据主扇风机控制要求，采用西门子S7-300系统，该PLC控制器为中型机，采用模块式结构，各种单独模块之间可以根据需要进行广泛组合和扩展，模块的输入输出端口均采用光电隔离和滤波。具体结构如下

（1）电源模块使用PS307

（2）中央处理器单元模块采用CPU314，适用于要求高速处理和中等I/O规模的任务，最大可扩展512点数字量I/O或64路模拟通道。

（3）数字量输入模块SM321，将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300的内部信号电平。选用直流16点输入型，使用2块，共32个输入点。

（4）数字量输出SM322，选用16点继电器输出型，使用2块，共32个输出点。

（5）模拟量输入模块使用SM331， 模块各个通道可以分别使用电流或电压输入，采用8AI×12位模块2块，共16个输入通道。

（6）模拟量输出SM332型，模块用于将CPU送给它的数字信号转换为成比例的电流或电压信号，对执行机构进行调节或控制。采用4AO×12位模块1块。

（7）高速计数模块FM350，如果使用编码器对风门的运动状态进行监视可以采用该模块，对编码器的脉冲进行计数采集，计算转换成风门的位移值，实现对风门位置的精准控制。

3 需要采集和输出的数字量和模拟量

（1） PLC需要采集的模拟量（AI）有，高低压电源的电压电流模拟量信号，以上各信号可以采用电流电压转换板将其转换为0-5V电压信号或4-20mA电流信号后输入PLC 的AI模块，在PLC内部转换为0-27468之间的数字信号，这样在程序中就可以对其进行监视、比较、处理，逻辑判断，从而对风机启动及运行时的电流电压进行程序比较，及时发现电源过压及欠压故障，和电动机启动和运行时过电流等故障问题，输出报警或输出跳闸信号，防止事故的扩大，及时进行处理，还可以将电流电压数值实时的在画面上进行显示。

（2） PLC需要采集的数字量（DI）有，高开柜的各个隔离开关的位置状态，电动机启动柜真空接触器开关状态，风门限位开关的状态，电动机保护仪保护输出报警或跳闸信号，风机启动开关状态值以及原设备需要保留的一些开关量状态值，在程序中通过对各个开关量的采集，逻辑比较和判断可以检测设备状态是否正常，在倒机操作时还可以对司机的操作过程进行监视，及时发现操作错误并报警。

（3） PLC需要输出的开关量（DO）有，一些原有由继电器控制的指示灯指示，风机启动控制输出信号，报警信息的输出，以及显示画面需要的开关量输出等。开关量的DI/DO输入输出均使用欧姆龙24V继电器进行隔离转换，防止干扰信号对PLC的影响，欧姆龙继电器经过在绞车PLC控制系统的长期运行，证明其可靠性非常高。

4 该改造方案的技术难点

（1）是PLC控制系统与老系统设备的对接融合问题，包括PLC控制需要接入的DI/DO，AI/AO的信号的采集和输出控制信号的执行，因为老系统零部件控制电压均为直流220V，采集输入和输出控制需要通过继电器或选择设计合适的电流电压转换电路进行转换。

（2）是PLC控制系统和触摸屏控制程序的编制，因为主扇运行要求有很高的可靠性，安全性，控制程序的设计对系统的稳定安全运行起到至关重要的作用，必须充分考虑系统运行可能出现的任何问题，现象并针对性的进行判断，解决。触摸屏画面设计也要考虑充分，尽可能全面的显示出系统的各种信息，包括每一个触点的状态信息，保证主扇司机通过画面显示对系统的运行状态，故障信息及时全面的了解。

结束语

在可编程控制器（PLC）问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。这种由继电器组成的控制系统存在明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、故障率高，查找和排除故障也往往是费时和困难的；而PLC控制系统克服了继电器控制系统的缺点，使其在自动化控制领域使用非常广泛，成为现代工业自动化控制的重要组成部分。

现在在我们公司的绞车控制系统基本都已采用PLC进行控制，但大部分的主扇风机仍然使用继电器控制系统，而且设备使用时间都已经比较长，设备故障率会越来越高。主扇对控制系统的可靠性要求很高，更换全新的控制系统，需要的投资大，设备安装周期长，影响风机的正常运转，如果在原有继电器控制系统基础上进行改造，可以在提高系统安全性、可靠性的前提下，充分利用原有设备价值，可以节约大量的资金。

作者简介

穆双红（1986～） 女，毕业于黑龙江科技学院机械电子工程专业，本科学历，现任龙煤鹤岗分公司新陆煤矿机电科技术员。