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煤矿风机PLC自动控制系统设计 王杨峰 （山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司， 山西晋城048108） 摘要为促进煤矿风机节能增效，设计以PLC为基础的煤矿风机自动控制系统，介绍该自动控制系统的设计要求与基本工作原理，并对系 统的硬件部分及软件部分进行了详细设计，以期通过应用煤矿风机自动控制系统能科学、合理地控制煤矿风机，在保障矿井安全生产的前 提下，有效降低矿井通风成本，提高企业经济效益。 关键词煤矿风机；控制系统；自动化；PLC 中图分类号TD635文献标识码A文章编号1009－9492 2019 08－0215－02 Design of Automatic Control System for Coal Mine Fan PLC WANG Yang-feng （Shanxi Coal Transportation and Marketing Group Yangcheng Sihou Coal Industry Co.，Ltd.，Jincheng 048108，China） AbstractIn order to promote the energy saving and efficiency improvement of coal mine fans，the author designed a PLC-based automatic control system for coal mine fans，introduced the design requirements and basic working principles of the automatic control system，and detailed the hardware and software parts of the system. The design is to scientifically and reasonably control the coal mine fan through the application of the coal mine fan automatic control system. Under the premise of ensuring the mine safety production，the mine ventilation cost is effectively reduced and the economic benefit of the enterprise is improved. Key wordscoal mine fan；control system；automation；PLC DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2019. 08. 079 收稿日期2018－11－26 0引言 在工业生产领域，风机设备主要应用到煤炭锅炉的燃 烧以及冷却系统，同时还可以应用到各个不同的通风除尘 系统当中，它的主要作用是调节风门的大小以及挡板的开 合程度，进而实现风量的调节。在实际的工作过程中发 现，风机的持续运行会严重影响到整个控制系统的精度， 这样就会导致资源的浪费以及设备的过度消耗。但随着工 业生产对节能的概念越来越深，于是增加了对产品质量提 升的要求，尤其是在编程器还有变频器的控制使用方面， 要求其必须能够简单操作，同时还具备维护方便的特点， 这样就能提高生产过程的精度控制。借助于可编程的PLC 控制器以及变频器实现系统的控制，这样有助于实现对 整个方案的成本预测与控制，可以有效地降低能源消 耗，进而不仅可以给公司带来经济效益，而且可以带来 社会效益[1]。 1系统整体设计方案 1.1系统要求 为了PLC编码器控制下的自动化煤矿风机系统能够更 好地适应较为复杂的工作环境，就要求系统具备相当的稳 定性以及安全性；同时为了更好的实现工厂作业的控制， 就需要整个的控制系统可以很好的进行及时响应；控制系 统还要求具备良好的操作环境以及多方面扩展的外部系统 结构；为了保证工业生产系统能够很好的实现生产过程的 实时监控，就需要工业操作现场提供一定的网络连接接 口；工厂需要具备报警提醒装置，能够在异常状况下及时 提醒工作人员[2]。 针对当前的煤矿风机管理人员的操作大多采用人力控 制以及厂区内部自动化水平较低的状况，需要对排水泵的 控制系统进行有目的的设计，主要从几个方面入手实现既 定的目标 （1）实现工业生产的系统化控制，控制的方式 主要有3种，分别是手动、自动以及半自动方式； （2）实 现系统的自我保护功能，这一系统的功能实现需要各个控 制系统能够实现故障的诊断，可以实现电流以及电压的， 同时还包括电机的温度跟轴承的温度等各个有关参数的实 时监控，当系统监测部分出现任何的差错时就会立即做出 判断，进行报警提醒操作人员，同时还能立刻做出停止运 行的动作； （3）系统内部对各个信息数据的实时显示，通 过简单可行的人机交互界面实现对水泵的流量以及排水管 的流量、压力，同时还有水泵的轴承温度等进行监控，故 障发生就会立即做出反应同时显示当前数据； （4）实现远 程监控通讯，使用光缆或者信号交换设备等硬件来连接井 下的PLC编程控制器以及井上的工控机，建立网络化的控 制平台，这样能够进行控制、显示参数以及记录信息[3]。 1.2基本工作原理 风机的风量控制一般都是通过具体的环境以及所需的 输出风量决定，同时需要将风量相关参数维持在一定的水 平上，从而确保实际的工作需求，这样还能有效避免电动 机的电能过度消耗。为了实现这一目标，基于这样的目的 机电工程技术2019年第48卷第08期设计与应用 215 （下转第271页） 而进行PLC自动控制系统的煤矿风机系统设计，同时选用 闭环形式的控制方式，借助于各种传感器实现对现场的温 度以及其他各种数据的监测，然后将所得信号转化为模拟 信号，借助于数模转换技术将信号传递，利用编程器与数 字信号进行对比，之后利用数模转换技术得到模拟信号的 输出，风机的各种参数同时受到控制器的影响，这样就能 实现车间温度的现场监控以及控制[4]。 2基于PLC的煤矿风机自控系统设计 2.1系统硬件设计 2.1.1可编程控制器 系统中的主要控制功能设备就是可编程控制器，这一 设备很好地结合了松下电器的系列性产品以及实际的工作 需求。这一系列的编程器具备良好的功能，能够实现高速 计数以及双路的输出脉冲等。控制器作为独立的模块很好 地实现了电源的集成以及处理器的集成，这一控制器不仅 能够单独发挥效果，同时还能实现组合的扩展应用，但所 扩展的模块数量必须低于3个。I/0接受数点从原来的10 个增加到现在的128个点，然而在实际的应用过程中需要 根据实际的工作需求进行选定。主机模块同时还具备多种 特定的扩展接口，可以进行特定的连接[5]。该方案采用的 扩展单元是FPOE16，主单元设置为FPO C32。 在构成方面，扩展模块、数模转换模块以及主控制模 块共同构成了编程控制器，在接口数量方面输入与输出有 19个以及20个接口，对于I/0接口而言，应该尽量少的使 用那些具有特殊功能的接口，这样就能满足后期系统进一 步扩展的需要。同时为了保证系统能够安全稳定的运行， 需要在常规状态下能够使用手动以及自动两种控制模式， 这就需要编写不同的程序，与自动控制所使用的程序相 比，这种控制方法主要有以下几个方面的优势 （1）系统自动程序出现故障时可以立即使用手动控制 程序，这样就能确保控制器始终处于稳定的工作状态之 下； （2）当在系统的正常工作过程中出现任何的设备故障 时，比如说电机发生故障，此时就能采取手动的控制方式 实现电机的停止，然后使用正常电机进行替换，这样也能 确保系统的正常稳定运行； （3）当整个的设备系统安装完毕后需要对有关的设 备进行运行调试，对各个设备的正常运行工作状况进行 检查[6]。 2.1.2温度传感器 为了将矿井温度信息及时进行传送就需要按照既定的 方案进行传感器的安装以及测试，然后将测试的数据结果 进行适当变换之后与既定数据对比，正是因为变频器决定 了风机的转速，所以需要确保车间内的温度与要求的温度 相一致。其中使用的型号为KA1-KA6的继电器以及型号 为KM1-KM6的接触器相关的连接线路，如图1所示。 根据实际状况选择较为常用的热电偶温度传感器，将 其连接到目标对象，正是因为热电偶的基础特性使得测试 的结果不会受到介质的影响，测试的结果一般较为准确。 同时，温度的测试过程中会伴随着热电势的变化，控制 器就能对电势的变化进行处理，这样就能获取到目标温 度值[7]。 2. 2系统软件设计 2.2.1可编程控制器程序设计 在风机控制系统中，主要的运行方式有远程控制、手 动控制、自动化的工作频率控制以及自动化的恒温控制。 最重要的便是自动化的恒温控制方式。此处的自动化恒温 控制侧重于变频形式，具体运行过程需要借助于控制器实 现对变频器的调节，进而实现温度的自动控制。控制器的 主要内容是实现恒温状况下的风机系统控制；常规状况下 一般不采用自动形式的工频运行，这种运行方式仅在特定 的状况下使用，特指变频器发生故障时使用，同时为了确 保温度能够维持在某一水平下，然后对运行电机的数量进 行调节，进而实现自动形式的工频运行目标；在远程的控 制方面，侧重于计算机控制下以及控制器控制下的信息传 送，从而实现风机中的电机远程控制，在具体的运行过程 中，这一控制方式主要起着辅助性的作用；在现场实现控 制主要指通过按钮等形式实现对电机的运行控制，这种控 制方式更多的借助于电气线路，这种控制方式一般不使 用，只有在系统检修以及控制器出现问题时使用。此处的 可编程控制器主要任务是实现温度数据信息的接受以及处 理，然后根据接收到的信号对接触器以及变频器等设备进 行控制调节，进而实现对风机电机的控制，从而实现对温 度的有效控制。有关变频的线路如图2所示。 图1KA-KM接线示意图 图2变频器接线示意图 机电工程技术2019年第48卷第08期设计与应用 216 的整体运行效率，有力保障了设备运行的连续性和稳定 性。本文中的EBZ230掘进机自3月份完成技改后，作业 面中的掘进设备仅在需要正常维护的情况下进行了停机， 由于以上常见故障导致的停机现象尚未出现，此次技改有 效提升了掘进机的施工效率，确保了煤矿井下的安全作业。 作为比较先进的掘进设备的EBZ230掘进机的维护成 本相对较高。据统计，较易出现故障的星形轮部件在实际 掘进作业中，平均每月更换数量约4个，每个星形轮的价 格约为3 000元，而每件星形轮部件的平均更换费用几乎 高达14.4万元；按照这个频率一年大概需要更换48个， 可见费用相当高。延长了作业时间，大大降低了巷道掘进 效率。 实践证明，对星形轮进行技改后，其部件更换的频率 变为平均每两个月更换约1个，即每年仅需更换6个星形 轮部件，同时更换部件的费用也大幅降低，更换一个部件 的费用由原来的14.4万元降低至1.8万元，节约了12.6万 元。对转载机装置技改后，其运行效率有了明显提高，开 机率提升至约90，原来的开机率甚至低于70，有效防 止了输送带磨损现象。同时技改后，转载机装置输送带更 换频率由之前的平均每星期更换1次降低为平均每3个月才 需更换1次，其更换输送带的成本大大降低，且维修停机时 间也大大缩短，转载机装置的运行效率有了明显提升[8]。 3结束语 在巷道掘进作业过程中，巷道掘进作业效率受掘进机 设备故障的影响相当严重。为了保障巷道掘进作业的顺利 进行，对于掘进机设备的各种故障要进行综合分析，并与 井下实际的作业情况相结合，合理技改存在故障的设备装 置，从而确保掘进机设备的稳定运行，有效保障井下掘进 作业的顺利进行。 参考文献 ［1］李静轩.煤矿掘进机常见故障与维护措施［J］.现代矿 业，2018（08） 40-42. ［2］樊伟.煤矿掘进机常见电气故障分析及处理方法［J］. 机械管理开发，2018（03） 55-57. ［3］高海鹏.煤矿掘进机常见故障及处理策略探讨［J］.机 械研究与应用，2017（05） 33-35. ［4］李玉刚，王宇，程文亮.EBZ132悬臂式掘进机行走驱 动装置制动器故障与排除［J］.山东煤炭科技，2017 （09） 66-68. ［5］王小龙.掘进机常见故障分析及改进建议［J］.技术与 市场，2019（01） 33-35. ［6］张晓铖.井下掘进机液压系统故障探究［J］.能源与节 能，2018（07） 41-43. ［7］王强.煤矿掘进机日常检修及故障维修的分析与研究 ［J］.机械管理开发，2017（07） 50-57. ［8］王明敏.掘进机截割减速器的故障分析研究［J］.煤矿 机电，2016（03） 81-83. 作者简介魏伟，男，1982年生，山西晋城人，大学本 科，助理工程师。研究领域采矿工程与矿山机械。 编辑 王智圣 2.2.2程序梯形图 在进行程序框图的设计过程中大致从4个运行方式进 行具体的程序设计。 （1）系统的启动以及停止程序。该程序的目的是实现 系统的运行以及结束，通过启动键实现控制系统的运行， 通过停止键实现控制系统的停止。 （2）模拟量的输入。在煤矿风机控制系统的设计过程 中使用了2个传感器实现了不同点处温度测试，自然也就 需要对温度模拟量的读取。 （3）程序的比较。获取到2处不同的温度数值之后取 到平均值，然后将平均值与设定值对比，若二者不同就需 要进行控制调节。 （4）模拟量的输出。经过计算之后将数据信息输送到 变频器，之后根据获取到的信息进行转速调节[8]。 3结束语 从系统整体设计以及工作原理分析、硬件设计以及软 件设计几个角度对煤矿系统的分级控制进行细致全面的分 析。借助于控制器实现对变频器的调节，进而实现对风机 的速度调节以及控制。该系统使用编程器实现手动以及自 动两种形式的控制方式，这样不仅能实现自动控制过程的 实现，同时还能确保在线路出现状况时及时做出反应，采 用手动控制方式实现实际工作过程的顺利实现。 参考文献 ［1］王凯.煤矿压风机自动控制系统应用初探［J］.山东煤 炭科技，2017（09） 31-32. ［2］郭玉茂.基于PLC的无接触式风机自动控制系统研究 ［J］.数字技术与应用，2016（03） 45-47. ［3］吕瑞腾，查守华.基于PLC的煤矿压风机自动控制系 统研究与应用 ［J］.山东工业技术，2017 （17） 11-13. ［4］张喜萍.煤矿压风机自动控制系统的应用研究［J］.中 州煤炭，2016（12） 33-35. ［5］程辉，戴曙光.风机风量自动控制方法研究［J］.数据 通信，2014（06） 77-79. ［6］槐利，谭一川，程玉龙.基于PLC的煤矿压风机自动 控制系统［J］.工矿自动化，2012（04） 81-83. ［7］唐良义，高嵩，杨水林，刘志海，罗毅翔.煤矿风机 运转状态监测与自动控制 ［J］.自动化技术与应用， 2010（04） 77-79. ［8］ 黄智英.基于单片机技术的矿井风机自控系统设计 ［J］.内燃机与配件，2018（12） 44-46. 作者简介王杨峰，男，1980年生，山西阳城县人，大学 专科，助理工程师。研究領域采矿技术及自动化控制系 统。编辑 王智圣 （上接第216页） 􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂 魏伟掘进机常见故障分析与技改措施研究诊断与改进 271