矿井局扇风机自动智能控制系统的设计

时三波

（山西晋煤集团技术研究院有限责任公司， 山西 晋城 048000）

引言

煤矿通风系统内部局扇风机的功能在于减小井下作业面的温度，为井下提供充足的新鲜空气、清除甲醛、清除灰尘等，是确保矿井持续稳定生产的核心设备。在局部通风机内部应用智控技术，可以使通风系统的效率得到极大提升，保证矿井顺利运行，减少设备维护所需的成本及能源的消耗量，以取得较高的调速精度。

1 局风扇系统的构建

局扇风机体系内部安装了两台功能一致的轴流风机，每一台局扇风机所运用的驱动设备都是8 极变频电机，电机的容量及电压分别为450 kW 和10 kV。这个局扇风机还配置了检测电机温度的部件Pt100，对轴承温度进行检测的设备，电机除湿加热器，阻尼器等。在手动及自动的频率之间，该系统可以完成变频器输出；同时，系统可以对局扇风机运行过程中的实时数据进行监测。

1）温度：定子、轴前后轴及风扇的温度。

2）电气参数：电流、有功及无功功率、功率因数等。

3）风扇振动参数：垂直、水平的振动参数。

4）风扇状态：油门所处的位置、电机的各个参数。

5）局扇风机参数：静压、总压力、空气的流量等。

2 局扇风机自动监控系统的设计

该监控系统的构成主要包含两部分，其功能分别对风量进行自动调节、对风扇运行的状态进行监测。在系统硬件的控制系统中采用了S7-300 系列的PLC，另一部分的构成包含了变频器、触摸屏等多个设备，通过应用通讯接口与局扇风机检测测试设备、变频装置、智能电源形成有效的连接，对阻尼器及风扇的各个参数进行连接与监测，并将这些数据传输到PC 监控系统及调度中心中，同时持续监测气体、压力、温度等各个参数，系统可以开展远程的诊断级编程。采取控制器来输出相关的数据信息，变频器可以基于反馈数据来调整风量，确保要求范围之内的空气质量，增强局扇风机的效率，从而极大降低成本[1-2]。在局扇风机的自动监控系统中PLC 是其核心，其结构图详见图1。

图1 局扇风机组自动监控系统示意图

3 局扇风机智控系统的硬件设计及参数检测

3.1 PLC 模块的选择

本系统所采取的SIEMENS S7 300 系列PLC，详见图2，其中硬件设施主要有电源、SM322（2 个）、CPU314、SM321（3 个）和SM331 模拟量输入（4 个）等板块，各个系统执行参数的监测。

图2 S7-300 的硬件结构示意图

1）风压的监测。为了使局扇风机维持稳定可靠的运行，应当对风扇的运行速度、流量等参数进行检测。系统采取相关的传感器来监测其中的压力。传感器可以将压力或流量转换为相应的电流量，并将其传输到SM331 中，将电流进行转换，并传输到CPU中。

2）温度的监测。在对电机温度进行监测的时候，电机及风扇轴的温度是其最关键的参数。在风机的监控系统内，当存在较高的温度时，局扇风机将无法正常运行。温度传感器的功能在于对前后轴承、定子等部件的温度进行收集。由于铂热所具有较高的量程及检测的精准度，该系统采取PT100 铂热电阻传感器来对系统的温度进行收集。

3）对振动强度进行监测。对风扇轴承在垂直及水平方向上的振动进行监测，通过运用振动位移传感器及变送器进行组合，在轴层前后两侧分别配置了电机振动传感器，电机轴承发生振动所形成的强度主要为线性，通过SM331 来转换成为电流量，并将其转变为数字信号，利用SM331 将其传输给CPU。

4）对电气的参数进行测量。该参数是对局扇风机及监测设备的性能进行监测的关键指标，可以对风扇运行状态及故障信息进行充分把握，推动设备运行。该参数主要包含了三相电流及电压、有功及无功的功率等。系统主要运用相关的变送器来对电力参数进行监测，运用RS485 总线来对功率进行传输。

5）对气体的浓度进行监测。气体所包含的成分主要为CH4。对风扇的出风部位或矿井底部的气体进行监测。为了对浓度进行有效地控制，对于出风部位及底部的CH4浓度可以运用瓦斯传感器来进行监测，传感器具备声光报警及显示的功能，同时具有各路信号输出及报警展示的功能，可以与信号的收集及监测相吻合的矿井系统连接。

3.2 变频设备的设计

变频系统所采取的模式为运用一个变频器来对2 台局扇风机的运行进行控制[3]。系统可以对风扇运行的速度进行控制，改良运行的状况，利用逆变器来实现节能的目的。该系统所采用的变频器为MM430，其内部设置有PID 控制器，具有较强的稳定性及灵敏度，该逆变器具有较好的性能，其中包含各个保护功能，输出功率的范围也处于7.52 kW 左右，其中包含了一个485 通讯接口，变频设备内部还设置了一个自动旁路柜。

4 局扇风机智控系统的软件设计

系统所设计的软件主要包含两个部分，分别为上位机和总控中心两部分，这两个部分可以对系统进行有效地控制。

4.1 总控中心的软件设计

该系统所运用的编程为STEP-7。PLC 程序内部主要包含了主程序、控制程序两种。其中主程序主要包含了故障监测及报警、频率控制程序、电机开启、初始化程序等多项功能。初始化程序主要包含了各个预先设置参数的初始值、对硬件及电源进行检测，在明确流程之后，开启控制系统，模拟采集板块可以对气体的含量、温度、振动的信息等进行收集。

4.2 上位机监控软件设计

本系统采取西门WinCC 组态来作为PC 监控软件。该组态软件可以实现局扇风机与操作人员的交流互动。这个该系统的控制关键主要对整个系统进行管理。监视器的屏幕中可以对各个监测参数、报警信息及故障问题进行有效显示。

5 结论

矿用变频器局扇风机所采取的智能化系统不仅可以有效监测风扇的状态，而且可以持续识别与监测风扇的故障。该系统具有较好的交互性，可以在同一个平台上来查询、展现及控制系统，确保局扇风机持续稳定的运行。