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    1 引言

    煤礦風(fēng)機是煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備之一 ，其運行情況直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)。對風(fēng)機的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)視,并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的實際情況,有效地控制風(fēng)機的送風(fēng)量，這樣不僅能為礦井的安全生產(chǎn)提供可靠保證，同時也降低能源消耗。因此研制煤礦主風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實意義。
礦井通風(fēng)設(shè)計的任務(wù)：

    1）將足夠的新鮮空氣有效地送到井下工作場所，保證生產(chǎn)和良好的勞動條件；

    2）通風(fēng)系統(tǒng)簡單，風(fēng)流穩(wěn)定，易于管理，具有抗災(zāi)能力；

    3）發(fā)生事故時，風(fēng)流易于控制，人員便于撤出；

    4）有符合規(guī)定的井下環(huán)境及安全監(jiān)測系統(tǒng)或檢測措施；

    5）通風(fēng)系統(tǒng)的基建投資省，營運費用低、綜合經(jīng)濟效益好。

    本文開發(fā)出基于PLC的煤礦主風(fēng)機變頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對風(fēng)門，電機全自動操作，運行中穩(wěn)定可靠，調(diào)速平滑方便，與使用單片機，工控機改造等相似項目，可靠性和參數(shù)變更的靈活性都具有極大的優(yōu)越性，充分保證了礦山的通風(fēng)安全和節(jié)能減排。

    2 系統(tǒng)設(shè)計要求

    采用對旋風(fēng)機，每臺風(fēng)機有兩臺電機+兩個風(fēng)扇組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

                 
   
                                        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
   
    2.1 數(shù)據(jù)采集

    （1）模擬量采集

    ① 溫度參數(shù)：電機前軸瓦溫度、電機后軸瓦溫度、繞組溫度（每臺電機三個溫度參數(shù)，共12個）RZW 。

    ② 電氣參數(shù)：電壓、電流、功率GL（每臺電機只測一相的電壓、電流，共12個）。
 
    ③ 風(fēng)峒參數(shù)：絕對壓力、溫度、濕度、瓦斯?jié)舛龋?個風(fēng)峒，共4個）。
  
    ④ 氣動參數(shù)：全壓、靜壓、動壓、風(fēng)量、風(fēng)速（兩個風(fēng)道，共10個）。

    （2）數(shù)字量采集

    電機狀態(tài)（共4個）

    風(fēng)門狀態(tài)（兩道風(fēng)門，通過接近開關(guān)，分別檢測每道風(fēng)門所處的位置（頂端、底端），共4個）

    2.2 風(fēng)機啟動控制

    風(fēng)機啟動有兩種情況：開兩臺電機；只開一臺電機。

    （1）開兩臺電機

    ① 確定2#風(fēng)機的風(fēng)門已放下。

    ② 提起1#風(fēng)機風(fēng)門。

    ③ 啟動1_1電機并監(jiān)測電流。

    ④ 1_1電機的電流低于額定電流時，啟動1_2電機。

    （2）只開一臺電機（只開一臺電機時，都是開圖中左側(cè)的一號電機）

    ① 確定2#風(fēng)機的風(fēng)門已放下。

    ② 提起1#風(fēng)機風(fēng)門。

    ③ 啟動1_1電機。

    2.3 風(fēng)機停止控制

    （1）1#風(fēng)機的兩臺電機都在運行

    ① 關(guān)1_2電機。

    ② 當(dāng)1_2電機的電流等于零時，關(guān)1_1電機。

    ③ 把1#風(fēng)門放下。

    （2）1#風(fēng)機的兩臺電機都在運行

    ① 關(guān)1_1電機。  

    ② 把1#風(fēng)門放下

    不論圖中右側(cè)的2號電機開不開，風(fēng)機停機都由圖中的x#風(fēng)機停機按鈕控制。

    3 控制原理

    3.1 PLC自動控制

    當(dāng)接到風(fēng)機運行指令時，PLC判斷系統(tǒng)運行方式控制風(fēng)機啟動。若為變頻方式下,系統(tǒng)則進行變頻軟啟動 ,以降低啟動電流 ,減小對電網(wǎng)的沖擊。當(dāng)電機由零頻率加速啟動到設(shè)定頻率時，PLC 控制風(fēng)門絞車開啟風(fēng)門 , 為了避免風(fēng)門在開、關(guān)過程中的不到位引起漏風(fēng)從而降低風(fēng)機效率，風(fēng)門的上下端設(shè)置了開觸點和閉觸點，PLC實時采集風(fēng)門的觸點狀態(tài)精確控制風(fēng)門絞車的運轉(zhuǎn)。風(fēng)門完全開啟后，使風(fēng)機電機M1進入工作狀態(tài)，在雙機運行方式下，當(dāng)電機M1的開啟電流小于額定電流時開啟電機M2。

    3.2 風(fēng)量閉環(huán)控制

    在變頻啟運行方式下，風(fēng)機風(fēng)量由設(shè)定信號控制。設(shè)定信號與風(fēng)量傳感器采集通風(fēng)機的風(fēng)量信號，經(jīng)過變送器后送給 PLC的 A/D轉(zhuǎn)換器，PLC 將電信號變換成相應(yīng)的風(fēng)壓數(shù)字信號存儲在內(nèi)存中，程序采用復(fù)合濾波算法，能有效消除或減少各種干擾和噪音。風(fēng)機正常運行過程中，隨著井下用風(fēng)量的變化，風(fēng)機電機的工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)換 ，如果風(fēng)量需求較大，PLC采集到的風(fēng)量值小于系統(tǒng)設(shè)定值，經(jīng)過比較后將誤差送給PID控制模塊行處理，然后調(diào)用模糊控制模塊,并將輸出量轉(zhuǎn)化為 4～20 mA 電流信號 ，送給變頻器頻率設(shè)定電流輸入端，控制變頻器頻率變化，實現(xiàn)對通風(fēng)機風(fēng)量系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
   
    為了增強系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，PLC的控制添加了模糊控制器。模糊控制器是根據(jù)過程參數(shù)的變化自動在線修改控制規(guī)則，從而取得最好的控制效果。

   


                                 圖2 系統(tǒng)控制方案和工作原理圖

    4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點

    如圖所示，煤礦主風(fēng)機控制系統(tǒng)綜合利用現(xiàn)代自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實現(xiàn)對煤礦主風(fēng)機運行參數(shù)的實時監(jiān)測。

    系統(tǒng)以和利時公司 LM系列小型PLC為核心，采用24點CPU模塊LM3109， 輔以高性能模擬、數(shù)字輸入/輸出模塊，配置網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式觸摸屏，實現(xiàn)就地自動控制。

       


                               4.1 可編程控制器配置

    1）CPU模塊：LM3109模塊的額定工作電壓為AC220V，自帶40點I/O，提供24路DC24V輸入/16路繼電器輸出處理。具有1個RS232和1個RS485通訊接口，支持專有協(xié)議（僅RS232）/Modbus RTU協(xié)議/自由協(xié)議。

    2）熱電阻輸入模塊：LM3312模塊是4路熱電阻輸入模塊，提供了與Cu50、Pt100兩種熱電阻一次測溫元件進行連接的接口，用于采集并處理從現(xiàn)場來的熱電阻的電阻值輸入信號。

    3）模擬量擴展模塊：LM3313模塊提供8通道模擬量輸入通道，輸入范圍-10V-10V、-20mA-20mA可選，精度可達0.5%FS。主要完成現(xiàn)場模擬量的輸入、采集與處理工作。

    4.2 嵌入式觸摸屏
軟件采用國內(nèi)著名品牌北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司開發(fā)的MCGS 嵌入式組態(tài)軟件。嵌入式觸摸屏過網(wǎng)關(guān)接入礦端工控WWW服務(wù)器上，在礦端工控WWW服務(wù)器上運行通用WEB組態(tài)軟件，把采集到的主風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)安全數(shù)據(jù)，通過Intranet發(fā)布出去。礦端工控WWW服務(wù)器采用雙網(wǎng)卡，從物理上將監(jiān)控系統(tǒng)與企業(yè)Intranet進行隔離，保證監(jiān)控系統(tǒng)的安全和可靠運行。

    4.3 系統(tǒng)功能特點及使用效果

    1) PLC控制和檢測變頻器的運行狀態(tài) ,利用變頻器控制風(fēng)機啟停及正常運轉(zhuǎn) ,可使風(fēng)機電機連續(xù)調(diào)速 ,并可根據(jù)要求的流量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速獲得最佳速度 ,節(jié)約大量的電能。

    2) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測：實現(xiàn)通主風(fēng)機氣動參數(shù)，風(fēng)峒參數(shù)，電氣參數(shù)，溫度參數(shù)，振動參數(shù)的實時監(jiān)測。

    3) 監(jiān)測參數(shù)能夠通過嵌入式觸摸屏和遠程終端，完成實時顯示，存儲、查詢（通過表格、曲線等實時查詢和歷史查詢）、報警、打印功能；完成日報，月報的自動生成、存儲、查詢和打印；實時顯示風(fēng)量-靜壓的全特征曲線，標注主風(fēng)機的工作區(qū)域，風(fēng)機處于瑞壓區(qū)和低效區(qū)時語音報警；具有豐富的工況畫面，界面友好，圖表功能強大，操作快捷方便。系統(tǒng) 的組態(tài)界面如圖3，4所示。

             
                  

                                       圖3 組態(tài)主界面

                  

                                        圖4 全特征曲線

    4) 現(xiàn)場控制：通過觸摸屏預(yù)制礦井通風(fēng)參數(shù)，操作人員經(jīng)用戶名和密碼確認后才能操作相應(yīng)區(qū)域，可以實現(xiàn)風(fēng)機的無級調(diào)速，實現(xiàn)風(fēng)機的自動切換、應(yīng)急反風(fēng)、單風(fēng)機單電機啟動運行、單風(fēng)機雙電機啟動運行、單風(fēng)機單（雙）電機變頻啟動運行等多種控制模式。具備自動控制切除功能，實現(xiàn)現(xiàn)場的完全手動控制。

    5 結(jié)束語

    給予和利時LM系列PLC可編程控制器的風(fēng)機變頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于和利時LM系列PLC可編程控制器的風(fēng)機變頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對主風(fēng)機系統(tǒng)化管理，提高了主扇風(fēng)機運轉(zhuǎn)的可靠性。系統(tǒng)在實際使用過程中取得了良好效果，其性能穩(wěn)定，運行可靠，節(jié)能效果明顯，為整個礦井安全生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

    參考文獻

    [ 1 ]  《HOLLiAS-LEC G3系列小型一體化PLC硬件手冊》，杭州和利時自動化有限公司，2007.1

    [ 2 ]  《HOLLiAS LM系列PLC軟件手冊》，杭州和利時自動化有限公司，2008.1

    [ 3 ]  《HOLLiAS-LEC G3系列小型一體化PLC指令手冊》，杭州和利時自動化有限公司，2007.5

    [ 4 ]   曹慶貴,袁秋新.礦井安全管理全息動態(tài)監(jiān)控方法的研究與應(yīng)用[J].煤礦安全,2003,34(11):52.

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