基于PLC的矿用通风机运行状态监控

李 阳

（山西潞安集团潞宁煤业公司，山西忻州 036000）

0 引言

煤矿作为我国重要的能源之一，关系着国民经济的发展。井下采矿作业中，有诸多影响生产安全的重要因素，而保证井下良好通风乃重中之重[1]。而矿用通风机便是保证井下通风的关键设备，担任着向井下输送新鲜空气的重任，还能够将粉尘和有害气体排出。通风机一旦发生故障，井下有害气体浓度升高，且氧气不足，将直接影响人身安全。可见配备一套稳定可靠的通风机监控系统十分关键[2]。然而，目前市场上的矿用通风机监控系统太过简单，监控范围不全面，监控力度较弱，还满足不了煤矿生产的发展需求。改变原有监控的模式，不断提高矿用通风机监控系统的监控水平，才能真正地保证井下作业的安全运行。如今，在科技不断发展的成果下，矿用设备的监控系统逐步成熟且有很好的效果，监控系统方面都采用先进的传感器技术，搭配成熟的计算机技术，达到了在线实时监测等多项功能，这也将是矿用通风机监控系统的发展趋势。

1 矿用通风机系统

矿用通风系统是通风方式、通风方法和通风网络的总称，通风系统主要由通风机和通风网络组成[3]。矿井通风系统利用各种通风设备，将地表面空气按着既定路线源源不断地送到井下，同时将井下浑浊的空气排到地面，还要严格保证井下各类有害气体浓度被相关标准所允许。此外，通风系统还可以调节井下温度，改善井下工作环境。

矿用主通风系统具体包括了通风机、风门、风井等，其中主通风机是核心部件，自然也是监控系统的首要对象。主通风机主要分为离心式和轴流式两种[4]。

（1）离心式通风机结构简单、造价低、容易维修，但体积大，且不能直接连接电动机。特性曲线平稳，常用于风量变化大但阻力变化小的矿井；风量调节方面，多利用闸门进行风量调节，但成本高，且操作麻烦；反风方面，没有反风道则无法反风；联合运转方面，多台并联使用具有较高的稳定性[5]。

（2）轴流式通风机结构紧凑、体积小且轻、高转速，可以直接相连电动机，因此具有较高的传动效率，但这种类型的通风机机构较复杂，且各零部件都装在机壳内，导致检、维修不便[6]。高转速也导致个别零部件易损坏，故障较多且噪声大，需配备消音设备。特性曲线较陡，因而适合阻力变化大且风量变化小的矿井；改变叶片的安装角度、级数、数量和倒流器等方法可以调节风量，简单可行，经济性能较好。与离心式相反，多台并联运行稳定性较差。

2 通风机监控系统的硬件设计

2.1 PLC的选择

PLC的选择原则：（1）估算I/O点数时应有足够的余量备用；（2）适当的存储器容量；（3）具有运算、控制和通信等功能。基于这些原则，本文选择西门子旗下的S7-300系列PLC，是一款模块化的成熟PLC，能够满足通风机监控系统的基本需求[7]。其结构如图1所示。

图1 S7-300系列PLC的结构

S7-300主要功能：（1） 快速处理指令，约 0.1～0.6 μs；（2）优秀的界面，集成了人机界面，使得操作方便快捷；（3）具有诊断功能，能够监控通风机系统的功能是否正常运行；（4）多级口令保护，能有效防止机密泄漏和程序篡改。

2.2 各功能模块的实现

（1）输入模块

S7-300的PLC自带的数字量输入模块即可将变送器采集的电平形式的数字信号转换为PLC所需的内部信号电平。

（2）输出模块

S7-300的PLC所带数字量输出模块将输出0-1的开关信号并以此来驱动负载，同时还具有隔离和功率放大功能。

（3）通信模块

S7-300所带CP340通信模块，该模块与其余的综合保护装置通过接口RS485完成问答式的通信过程。

（4）CPU模块

根据整个系统所需要的电流和功耗，本文选择CPU314C-DP的CPU模块，它具有两种通讯端口MPI和DP。

（5）电源模块

该模块的额定输出功率必须大于其他所有模块所消耗功率的总和，并保证大约30%的余量，综合考虑本文选择PS307 10A这款电源模块。

3 通风机监控系统的软件设计

运用于S7-300相配套的编程软件STEP7进行监控系统的软件设计，该软件通用于现有计算机系统，且支持多种语言和方式，多项功能也为软件设计带来了极大的方便[8]：（1）适用于各个控制系统，可用于管理所有数据；（2）能够管理共享符号，并支持导入、导出和编辑；（3）多项硬件组态功能，例如可编辑的控制器、赋值操作等；（4）多种编辑语言，LAD、STL、FBD等；（5）诊断功能，指示各个模块是否运行正常。

图2所示为监控系统的整体结构图，以下主要介绍通风机控制系统的软件设计思路。通风机的控制部分涵盖了PLC控制和电气控制，硬件部分则是变频器、风机、管道及传感器等。首先变频器带动主通风机启动，传感器获取管道中的压力信号，再途经计算控制变频器，最终送至控制系统。传感器传递的信号到达上位机系统会进行相应计算，这时PID控制系统会向PLC传递相应的信号。而PLC得到数模模块转化后的电信号，便能对变频器的启停以及频率进行控制，这就是对通风机电压和频率控制的实现，进而就实现了转速的控制。这一系列控制组成了通风机的闭环反馈控制系统，将实时控制和监控主通风机，以最终满足井下的通风要求。例如当管路中流量过大时会造成管路的压力过大，闭环反馈系统将向变频器发出一个信号，要求减少通风机的输出，并随即降低通风机的电压和频率，这便达到了降低管路流量和压力的目的，从而达到流量和压力的平衡，相反流量和压力过小也遵循此反馈流程。实现自动调节通风机闭环反馈控制系统是使矿用通风始终保持在正常的安全水平，达到保障井下安全的目的。

图2 系统结构

4 结束语

通风机是保证煤矿作业安全的核心设备，其运行情况关系着生产与人身安全，因此可靠有效地监控通风机十分重要且必要。本文所研究的监控系统集合了先进的传感器、变送器等装置，能够实现通风机和关联设备的实时监控。结合通风机的工作运行情况和井下作业环境的需求，设计了一款基于S7-300系列PLC的矿用通风机能监控系，主要分析研究了其系统结构组成，通过硬件选择和软件设计实现监控系统各个模块的功能，并搭载了人机界面，具有优良的可操作性和实用性，使得通风机的监控更加直观有效。这一系统可以提高矿用通风机的自动化水平，提升了井下的作业安全，为煤矿生产保驾护航。