基于PLC的主通风机监控系统设计与应用

刘元杰

摘 要：主要通风机是现代工矿企业的重要装备，通风机能否可靠运行，直接关系到企业的安全生产，主要通风机是否能建立在线监控系统有着十分重要的意义。本论文以矿井主要通风机的工作特点为中心，以PLC为主要控制设备，讲解可编程控制器（PLC）在矿井通风系统中的应用;探讨主要通风机实现自控功能的组成部分、系统工作原理、系统硬件的选型以及传感器的选择配置。

关键词：通风机;自动控制系统;系统硬件选型

1 绪论

1.1 企业通风概况

主要通风机是完成矿井通风任务的主要装备，担负着往煤矿井下所有巷道、生产一线、辅助系统等持续输送新鲜空气，并将井下粉尘和污浊风流排出地面，保障煤矿井下作业工人的人体健康和安全的重要装备。所以在现代化信息化日益发展的今天，对通风系统进行系统化的管理，对矿井主通风机采用在先进的在线监控技术，在企业安全生产中日益起着重要的核心作用。

1.2 主通风机监控系统实现的主要功能

①主要通风机监测监控系统能够监测和控制低压配电系统的开停状态，实现对电气系统的相关参数的采集和显示。能够对主要通风机的运行状态、工作参数进行实时检测和显示。对主要通风机运行过程中实时的电流数值、电流的不平衡度、有功、无功、功率因数、电压数值等，确保风机相关参数的实时动态监测;②实时地检测主要通风机的风压（包括静压力和全压力）、风的速度、风量数值、电机轴承温度值、定子的温度值、电机的功率、电机的效率值、风机的效率值、风道内的空气湿度、温度、大气压等各种主要通风机运行时的数值，检测风机闸板门的位置、主要通风机的开/停情况、检测并接收反风时系统发出的信号指令等各种信息，控制主要通风机闸板門蝶阀的开启和关闭，风机电机的启动和停止;③系统能在控制界面上实现主要通风机切换的自动切换和手动切换的选择，能在控制界面上可靠实现风机的自动切换。自动切换时系统能可靠实现1#、2#风门的开启关闭、1#、2#蝶阀的开启关闭以及1#、2#风机一级电动机二级电动机启动停止的顺序控制以及逻辑互锁，防止误操作;④系统能实现检测风机电机的温度和振动参数实现电机工况参数的定时监测，在监控界面显示风机负压和轴承温度等重要参数;⑤系统能以实时曲线图形的方式显示在线监测量，并能够转换处理风机的运行历史数据，便于查看不同日期、不同时间段各个数据值的变化情况;并且系统能绘制风机性能参数曲线;⑥系统能将报警灯闪烁提示切换到报警窗口以报表详细显示;并实现蜂鸣器鸣叫提示;⑦系统能完成风机实时运行数据的以太网发布，为远程监控系统提供实时数据;系统能实现对监测数据的远程访问：搭建企业级网络交换系统，把局域网和主要通风机监控系统的各种控制装备接到外部网络中。通过网络交换装置将局域网的全部数据信息接至外部网络。最终通过以太环网实现远程控制操作，并能实现主通风机机房的无人值守。

2 主要通风机监测监控系统的设计架构

2.1 系统的组成和特点

①系统控制部分的核心在主要通风机值班室内安装了西门子S7-300，可以完成本系统的逻辑计算、逻辑闭锁保护，主要通风机运行数据的动态收集，和数据格式化等多个方面功能;②系统的通信部分：应用的是多点接口（MPI）作为可编程控制器（PLC）和工控机之间数据通讯的桥梁，其物理层是RS-485，采用PROFIBUS连接PLC的MPI端口，以及系统工控机上面CP5711卡的D型口;③传动部分采用四个10kV电机来驱动主通风机扇叶，采用两个5.5kW、两个1.5kW的电动机来驱动闸板门和蝶阀的开/闭;④检测部分采用各种类型的传感器、变送器，以及各种数字量/模拟量智能仪表等装备。把系统相关信息传输到PLC的输入/输出模块中以便进行后续处理。

2.2 主要通风机的运行数据情况的检测

①温度信号监测：电机定子温度以及三相绕组温度是由装在电动机内部的PT100测温电阻测量转换后得到的，风道内空气流的温度则是由集成一体化的智能温度变送器检测得出，输出的都是4～20mA电流信号，把电信号经过具有屏蔽功能的信号传输电缆传递送达到多回路温度巡检仪上，通信输出：RS485，可以通过此串口与S7-300的CP340连接;②风机开机/停机信号的检测：风机开停传感装置主要应用于监测本系统内各种机电设备的开机/停机状态，并把采集到的设备开机/停机信号变换成符合系统标准的信号传给可编程控制器（PLC）;③风量的检测：采用的是普通型涡街流量计，风速变送器进行检测;④主要通风机振动参数的检测：采用新型振动传感变送器，将传统的振动感应传感器与精密测量电子电路融合在一起，实现了更高精确度的振动数据量测量，可与PLC等控制系统直接连接在一起使用;⑤压力的检测：主通风机风峒中静压、全压数据量的获取和传输。静压和全压两者的测量原理和数据量获取技术基本一致，都是通过钻孔取压，监测点选择在主通风机侧壁正中间，通过把得到的压力数据信号通过新型变送器转换成电的信号。HB1151DP2 Ⅲ N0Zd1电容式差压/绝压变送器，输出5～20mA的标准电流信号;额定压力4MPa;基准量程是0～0.125至0～1.5kPa;⑥电气参数的检测：是指风机电动机额定负载下的电流、空载时的电流、励磁电流、电压数值、功率值以及功率因数。由于主通风机房高压配电开关柜采用南瑞的综合保护装置，能够完成相关电气数据的收集以及系统电路的保护，并可以通过CP360和南瑞综合保护器的通讯拾取到;⑦系统抗干扰措施：所用变送器为电流输出，传递数据使用的是双绞线双层屏蔽线缆，可以大幅度地减小电磁耦合效应的干扰。由于选用了隔离稳压变压器，以及超高精度的稳压电源，大大改善了电源的相关特性。另外还选用了变送器专用电源，进一步增加了系统长期运行的可靠性、稳定性;⑧系统的通讯：通过光纤与主通风机房集控室、企业调度指挥中心的工控机进行联网，从而达成对主要通风机的远距离监测和控制。

3 主通风机监控系统输入和输出的统计配置

3.1 数字/模拟输入点统计及模块的选择

数字量输入模块用来联通外部机械触点以及各类传感器，比如光电开关等，将来自主通风机上系统以外的数字信号转换为可编程控制器（PLC）系统以内的电信号，并且还具有滤波的功能，以避免系统以外的触点抖动或干扰脉冲引发的错误信号对系统的干扰。通过数字量/模拟量输入数量的统计，可以知道本系统一共有47个数字量输入和50个模拟量输入，因此选择两块拥有32个输入点的数字输入模块6ES7321-18L00-OAAO，各类模拟量经过处理器可以直接与可编程控制器（PLC）相联通，一共两块CP340与温度巡检仪相连，其余则通过模拟输入模块与之相连，因此我选择4块8通道的6ES7331-7KF02-OABO模块。

3.2 模拟量或数字量输出点的统计及选择

输出模块用来驱动接触器、信号灯、电磁阀组、电动机起动器等相关负载，它将内部的电信号转化成控制过程中所需要的外部电信号，又拥有功率放大、隔离信号干扰等作用。通过数字量/模拟量输出数量的统计，可知在本系统中共有38个数字输出点，考虑冗余，需配置两个数字输出模块，分别是32输出点的6ES7322-1FL00-OAAO以及16输出点的6ES7322-1FH00-OAAO模块。

4 结束语

在王家岭煤业，主通风机监控系统的投入运行，大大降低了主通风机司机的劳动强度，提高了主通风机及其附属设备设施的自动化水平和安全效率，在主通风机突发停机事故的情况下，风机的切换时间从之前的8-10min降低至3-5min，岗位人员配置从之前的每班两人减少至每班一人。风机的反风操作等传统方式下比较复杂的操作流程，在新的监控系统下也实现了智能化一键操作。

参考文献：

[1]吴士东.主扇风机无人值守自动化监控系统设计[D].青岛：山东科技大学，2006.