基于PLC的煤矿主扇通风系统的研究与设计.pdf

引言 主扇风机是煤矿中最重要的大型固定设备之 一， 也是保障井下人员安全生产作业的重要设备[1]。 它负责新鲜空气运送和有害气体的排出，改善井下 作业环境， 又被称为 “矿井之肺” 。主扇风机在 24 h 全天运转的状态下其耗电量巨大，出口风量一般都 通过人工增加挡板来实现，这种传统方法不仅费时 费力， 而且会造成大量电能的浪费。 同时主扇风机在 运行当中需要监测的参数除了风量还有温度、 振动、 风压等等， 涉及到的设备众多， 监控难度较大， 智能 化的风机工况监测对于保证主扇风机安全稳定运行 和井下安全生产具有重要意义[2]。 目前， 许多企业仍采用人工控制和监测主扇风 机的方式， 不仅劳动强度大， 可靠性低， 也无法满足 现代煤矿安全生产自动化和信息化的要求[3]。本文 设计了一种基于 PLC 和变频器的煤矿主扇通风系 统， 利用 PLC 对主扇通风系统进行控制， 大大提高 了系统的智能程度和可靠性； 采用变频器来实现主 扇风机的软启动，不仅可以实现风机的无级调速， 还可以实现风机的智能运行， 从而降低能耗节约电 能， 对于提高井下通风系统自动化、 智能化水平具 有重要意义[4]。 1系统设计的总体方案 本系统主要实现的功能有两个控制主扇风机 和监测风机在运行中各种工况参数。主扇电动机需 要通过变频器实现软启动和变频运行，可对风机出 口压力和风量进行变频调速， 当变频器发生故障时， 系统能够自动做出适应，将电机从变频运行切换至 工频运行； 通过 PLC 对变频器进行控制， 同时 PLC 与上位机配合实时监测主扇风机压力、 风量、 温度、 转速等参数； 系统还应具有故障诊断和预警功能， 当 设备发生故障时，系统通过各类传感器发出的信号 进行声光报警， 并进行切断电源等相应措施。 系统主要分为三部分。 第一部分为上位监控层， 主要由工控机和触摸屏组成，用于各类参数监测值 的实时显示和设备的远程控制；第二部分为 PLC 控 制层， 该层为系统的核心部分， 通过 PLC 可实现现场 参数信号的采集、设备运行的控制以及与上位监控 层的通讯以及故障诊断处理；第三部分为现场设备 层，主要由变频器和各类传感器组成，变频器通过 PLC 的控制实现对电机的软启动和变频运行，传感 器则上传风机各项运行参数用于监测[5]。 系统总体设 计如图 1 所示。 2硬件方案的设计及选型 PLC 控制器是本系统的核心部分之一，本文选 用西门子 S7-300 可编程控制器， S7-300 PLC 体积 小巧， 价格低廉， 扩展性能强大， 完全满足本系统的 控制需求。PLC 的 CPU 选择 S7-226，该 CPU 采用 24V DC 输入输出， 具有 24 路数字量输入和 16 路数 字量输出； 电源模块选用 PS305， 其输出电流 2 A， 输 出电压 24 V DC； 数字输入模块选用 SM321， 可用于 基于 PLC 的煤矿主扇通风系统的研究与设计 郭鑫程 （西山煤电西铭矿机电科外维二队， 山西太原030052） 摘要 针对传统的煤矿主扇通风系统多采用人工控制， 系统可靠性低， 且主扇风机采用直接启动方式等缺点， 设计了一种基于 PLC 和变频器的煤矿主扇通风系统。 该系统可实时监测主扇风机的风量、 压力、 温度等参数， 实 现了变频运行， 平滑调速。经实际运行测试， 系统运行稳定， 功能丰富， 实现了自动化控制和变频运行。 关键词 主扇PLC变频器自动化控制 中图分类号 TD724文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 05-0223-03 收稿日期 2020-03-15 作者简介 郭鑫程 （1988） ， 男， 大专， 毕业于山西煤炭职工联 合大学太原分校， 技术员， 主扇司机操作工。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.05.095 总第 205 期 2020 年第5 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 205 No.5， 2020 图 1系统总体结构图 触摸屏上位监控机 以太网交换机 PLC 控制器 1 号 PLC 控制器 2 号 主 扇 风 机 变 频 器 各 类 传 感 器 配 电 柜 风 门 稀 油 站 变 频 器 各 类 传 感 器 配 电 柜 风 门 稀 油 站 主 扇 风 机 自动化技术与设计 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 各类开关量信号；数字量输出模块选用 SM322， 可 将 PLC 内部信号转换为外部信号输出； 模拟量输入 模块和模拟量输出模块分别选用 SM331 和 SM332， 主要用于各类传感器模拟信号的采集和模拟信号 的输出[6]。 变频器也是本系统的核心部分，选择变频器最 主要的就是要保证其额定电压和电流要与风机相匹 配， 同时变频器频率不能过低， 否则会引起电机温度 过高等问题， 造成设备损坏。 本矿井通风系统采用一 主一备的方式设置了两台轴流风机，每台风机均由 两台电动机驱动[7]， 每台电动机均配有一台变频器 进行控制，一台风机由两台变频器为一组同步运行 控制， 控制原理如图 2 所示。 本文选用施耐德 ATV61HC31N4 通用型低压变 频器， 额定工作电流 555 A， 额定电压 380 V， 额定功 率 31 kW， 可完全满足本系统主扇风机的需求， 并且 可留出一定的余量。 主扇风机温度监测需要两个设备配合完成， 在 电动机定子和轴承处安装有 PT100 铂热电阻，其量 程为 -50150 ℃。铂热电阻采集到的温度模拟信号 在传送到 PLC 之前需要转换成 PLC 可识别的电流 信号， 本系统选用 EDA9018 温度采集模块实现温度 电流信号的采集，可输出标准的 DC 420 mA 电流 信号。 本文选用 Y400-402 型压力传感器对主扇风机 的风压进行监测， 其测量范围为 060 MPa， 输出为 标准的 DC 420 mA 电流信号[8]， 并且抗干扰能力和 稳定性能都十分出色， 可满足本系统需求。 主扇风机的风量是本系统的重要监测点，本文 选用 GFW15 型矿用风速传感器对风机出口风量进 行监测，其测量范围为 0.415 m/s，分辨率为 0.1 m/s， 测量的基本误差不超过0.3 m/s， 输出为标准 的 DC 420 mA 电流信号， 可完全满足本系统需求。 电机在运行中会引起振动，如果振动量过高会 引起电机受损甚至损坏，所以对电机振动量的监测 也是很有必要的。 本文选用 GBC80 型矿用振动传感 器， 工作电压为 1024 V， 工作电流≤30 mA， 测量范 围为 080 m/s2， 测量误差为1.6 m/s2， 输出为标准 的 DC 420 mA 电流信号。 3软件方案的设计 当 PLC 接收到启动信号后， 首先将系统进行初 始化， 然后进入启动主扇风机的流程， PLC 会选择需 要开启的风机， 在风机开启前， 还需要判断相应风门 的开闭状态； 系统默认 1 号风机为主用风机， 当 1 号 风机出现故障时， 2 号风机开启备用； 然后系统会跟 据用风量判断是否开启双电机运行， 如果用风量小， 只需开启一台变频器控制一台电动机驱动风机； 变 频器启动时， PLC 会通过 RS485 进行通信， 给定变频 器的启动频率， 当变频器出现故障时， 系统会自动切 换至工频运行； 现在变频器正常运行于变频状态， 传 感器将采集到的风机运行参数上传至 PLC 中， PLC 再与上位机进行监控数据交换， 风机的风压、 风量、 振动和温度等参数的监测就在此步骤中完成，如果 有参数超出阈值，系统会发出报警并进行停机等相 应操作； 在正常运行中， 若 1 号风机发生故障， 则系 统发出报警信号并开启 2 号备用风机， 2 号风机启 动流程与 1 号风机相同。 系统主流程图如图 3 所示。 在系统正常运行过程中，如果发生火灾等事故 时， 系统会立即执行报警程序， 发出声光报警并立刻 停止当前运行中的风机， 并执行反风子程序。 当系统 处于反风运行模式时，也需要选择是单电机驱动运 行还是双电机驱动运行，一般在发生火灾等重大事 故时，系统会直接投入两台变频器驱动两台电机运 行， 并给定反风频率， 当事故结束后， 系统重新恢复 执行正常的运行程序。反风子程序流程如下页图 4 所示。 图 2变频器控制原理 图 3系统控制主流程图 变频器 11变频器 12变频器 21变频器 22 M11M12M21M22 1 号风机2 号风机 开始 系统初始化 启动 1 号 主扇风机 2 号风门 是否关闭 关闭 2 号风门 否 是 开启 1 号风门 是否开启双 电机运行 驱动 11 号变频器 否 是 驱动 11 号、 12 号变频器 给定运行频率 变频器是 否故障 是 否 风机变频 运行 风机工频 运行 1 号风机参数采集 上传及数据交换 1 号风机 是否故障 是 否 执行 2 号备用风 机自控流程 2 号风机参数采集 上传及数据交换 是否发生火灾 等事故 停运当前风机 系统正常运行执行反风子程序 否 是 224 2020 年第 5 期 4结语 本文设计的基于 PLC 的煤矿主扇通风系统在 实际测试中可对主扇风机的风量、 压力、 温度等参数 进行实时监测， 测量参数准确， 实时性高， 主扇风机 通过变频器实现了软启动变频运行， 平滑调速， 大大 降低了能耗， 系统的控制精度、 稳定性、 自动化程度 都得到了提升， 具有良好的经济效益和应用前景。 参考文献 [1]刘洋.矿井主扇风机远程监测及故障诊断系统研究[J].科技风， 2012 （24） 147-148. [2]徐盛龙. 基于 DSP 与 ARM 相结合的风机故障诊断及监测系统 设计[D].徐州 中国矿业大学， 2014. [3]赵晓晨.煤矿主通风机通风控制系统的改造[J].中国新技术新 产品， 2014 （1） 117. [4]齐朝鹏， 张小涛， 罗业民， 等.常峪铁矿节能通风自动化改造及 应用[J].现代矿业， 2018， 34 （2） 142-144. [5]潘红军.PLC 在煤矿风机自控系统中的应用探究[J].科技与企 业， 2013 （9） 110. [6]谭长森， 孙鹏， 郭峰， 等.基于 PLC 的矿井主扇风机自动监控系 统的设计[J].工矿自动化， 2007 （6） 106-108. [7]张金贵.矿井主通风机在线监控系统的设计与应用[D].西安 西 安科技大学， 2015 44-45. [8]张利辉.煤矿井主扇风机监督控制系统的设计与实现[D].沈阳 东北大学， 2013 49-50.（编辑 王瑾） 图 4反风子程流程图 Research and Design of Main Fan Ventilation System Based on PLC Guo Xincheng （Ximing Mine Electrical and Mechanical Department, Taiyuan Shanxi 030052） Abstract In view of the shortcomings of traditional coal mine main fan ventilation system, such as manual control, low system reliability, and direct start mode of main fan, a coal mine main fan ventilation system based on PLC and frequency converter is designed, which can monitor the air volume, pressure, temperature and other parameters of main fan in real time, and the fan can realize frequency conversion operation and smooth speed regulation. Through the actual operation test, the system runs stably and has rich functions,realizing the automatic control and frequency conversion operation. Key words main fan; PLC; frequency converter; automatic control 反风程序开始 是否开始双 电机反风 驱动 11 号、 12 号变频器 给定反风频率 驱动 11 号 变频器 风机反风运行 给定反风频率 1 号风机运行参数采 集上传及数据交换 事故是否处 理完毕 恢复执行正 常运行程序 是 否 否 是 Study on the Application of Automatic Tunneling Technology in Coal Mine Li Kai （Shouyang Kaiyuan Mining Co., Ltd. Production and Technology Department, Shouyang Shanxi 045400） Abstract In view of the low efficiency and poor precision of roadheader used in most coal mine underground tunneling operations, this paper analyzes a new automatic tunneling technology scheme. This scheme combines the autonomous cutting control system of the roadheader with the visual monitoring control system, which can realize the organic combination of the underground autonomous tunneling operation and the remote manual control tunneling operation, so as to greatly improve the tunneling efficiency of the underground roadway in coal mine and effectively ensure the cutting reliability of the roadheader under the condition of complex terrain. Key words automatic tunneling; autonomous cutting; visualization （上接第 222 页） 郭鑫程 基于 PLC 的煤矿主扇通风系统的研究与设计 225