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    1 引言

    煤礦風機是煤礦生產的重要設備之一 ，其運行情況直接影響到煤礦的安全生產。對風機的工作狀態進行實時監視,并根據現場環境的實際情況,有效地控制風機的送風量，這樣不僅能為礦井的安全生產提供可靠保證，同時也降低能源消耗。因此研制煤礦主風機監控系統具有重要現實意義。
礦井通風設計的任務：

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

    2）通風系統簡單，風流穩定，易于管理，具有抗災能力；

    3）發生事故時，風流易于控制，人員便于撤出；

    4）有符合規定的井下環境及安全監測系統或檢測措施；

    5）通風系統的基建投資省，營運費用低、綜合經濟效益好。

    本文開發出基于PLC的煤礦主風機變頻監控系統，實現了對風門，電機全自動操作，運行中穩定可靠，調速平滑方便，與使用單片機，工控機改造等相似項目，可靠性和參數變更的靈活性都具有極大的優越性，充分保證了礦山的通風安全和節能減排。

    2 系統設計要求

    采用對旋風機，每臺風機有兩臺電機+兩個風扇組成，系統結構如下圖所示。

                 
   
                                        圖1 系統結構
   
    2.1 數據采集

    （1）模擬量采集

    ① 溫度參數：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，共12個）RZW 。

    ② 電氣參數：電壓、電流、功率GL（每臺電機只測一相的電壓、電流，共12個）。
 
    ③ 風峒參數：絕對壓力、溫度、濕度、瓦斯濃度（1個風峒，共4個）。
  
    ④ 氣動參數：全壓、靜壓、動壓、風量、風速（兩個風道，共10個）。

    （2）數字量采集

    電機狀態（共4個）

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

    2.2 風機啟動控制

    風機啟動有兩種情況：開兩臺電機；只開一臺電機。

    （1）開兩臺電機

    ① 確定2#風機的風門已放下。

    ② 提起1#風機風門。

    ③ 啟動1_1電機并監測電流。

    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，都是開圖中左側的一號電機）

    ① 確定2#風機的風門已放下。

    ② 提起1#風機風門。

    ③ 啟動1_1電機。

    2.3 風機停止控制

    （1）1#風機的兩臺電機都在運行

    ① 關1_2電機。

    ② 當1_2電機的電流等于零時，關1_1電機。

    ③ 把1#風門放下。

    （2）1#風機的兩臺電機都在運行

    ① 關1_1電機。  

    ② 把1#風門放下

    不論圖中右側的2號電機開不開，風機停機都由圖中的x#風機停機按鈕控制。

    3 控制原理

    3.1 PLC自動控制

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

    3.2 風量閉環控制

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

   


                                 圖2 系統控制方案和工作原理圖

    4 控制系統結構及特點

    如圖所示，煤礦主風機控制系統綜合利用現代自動控制技術、計算機技術、網絡通訊技術，實現對煤礦主風機運行參數的實時監測。

    系統以和利時公司 LM系列小型PLC為核心，采用24點CPU模塊LM3109， 輔以高性能模擬、數字輸入/輸出模塊，配置網絡化的嵌入式觸摸屏，實現就地自動控制。

       


                               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，支持專有協議（僅RS232）/Modbus RTU協議/自由協議。

    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
軟件采用國內著名品牌北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司開發的MCGS 嵌入式組態軟件。嵌入式觸摸屏過網關接入礦端工控WWW服務器上，在礦端工控WWW服務器上運行通用WEB組態軟件，把采集到的主風機監控系統生產安全數據，通過Intranet發布出去。礦端工控WWW服務器采用雙網卡，從物理上將監控系統與企業Intranet進行隔離，保證監控系統的安全和可靠運行。

    4.3 系統功能特點及使用效果

    1) PLC控制和檢測變頻器的運行狀態 ,利用變頻器控制風機啟停及正常運轉 ,可使風機電機連續調速 ,并可根據要求的流量調節轉速獲得最佳速度 ,節約大量的電能。

    2) 系統數據監測：實現通主風機氣動參數，風峒參數，電氣參數，溫度參數，振動參數的實時監測。

    3) 監測參數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；實時顯示風量-靜壓的全特征曲線，標注主風機的工作區域，風機處于瑞壓區和低效區時語音報警；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 的組態界面如圖3，4所示。

             
                  

                                       圖3 組態主界面

                  

                                        圖4 全特征曲線

    4) 現場控制：通過觸摸屏預制礦井通風參數，操作人員經用戶名和密碼確認后才能操作相應區域，可以實現風機的無級調速，實現風機的自動切換、應急反風、單風機單電機啟動運行、單風機雙電機啟動運行、單風機單（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，實現現場的完全手動控制。

    5 結束語

    給予和利時LM系列PLC可編程控制器的風機變頻監控系統，實現了基于和利時LM系列PLC可編程控制器的風機變頻監控系統，實現了對主風機系統化管理，提高了主扇風機運轉的可靠性。系統在實際使用過程中取得了良好效果，其性能穩定，運行可靠，節能效果明顯，為整個礦井安全生產奠定了良好的基礎。

    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監控方法的研究與應用[J].煤礦安全,2003,34(11):52.

    [ 5 ]   丁恩杰,馬方清.監控系統與現場總線[M].北京:電力電子出版社,2003.