基于 PLC 的压风机阶梯式控制策略在花山煤矿的应用

胡 峰，薛彦波

中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400039

花 山煤矿压风机监控系统自动化程度低，系统不能变频节能控制，卸载运行期间产生了不必要的能耗。为帮助矿方节约成本，笔者在压风机控制程序设计方面运用了一种新的阶梯式控制策略，通过对压风机控制程序的优化实现了压风机系统的阶梯式控制，达到了减少设备空载运行能量损耗和降低设备启停机频率的目的，实现了花山煤矿压风机监控系统的智能化控制。

1 系统主要受控设备及采集信号

压风机在线监控系统的主要受控设备包括：3 台具备标准 Modbus 接口的螺杆空气压风机、2 台储气罐 (排气罐) 排污阀、3 台压风机排气阀。其中压风机品牌为复盛牌，冷却方式为风冷，驱动电动机功率为315 kW，最大排气压力为 0.85 MPa。花山煤矿要求的压风机排气压力控制指标为 0.60～0.80 MPa。

压风机在线监控系统的主要采集信号：3 台压风机的运行信号、3 台排气阀门的开关到位信号、2 台排污阀的开关到位信号、3 台压风机的排气压力信号、压风机系统总管压力和温度信号、2 台储气罐温度信号和 3 台烟雾传感器信号。

2 系统总体设计

该压风机控制系统借助于矿方的工业以太网传输平台，建立了后台数据处理中心、数据传输层和现场设备控制层 3 层监测控制系统。其中后台处理中心主要由工控电脑、工业组态软件和打印设备组成；中间传输层为煤矿工业以太网；现场控制层主要由现场PLC 控制柜、压风机设备控制箱、温度传感器、压力传感器、烟雾传感器和电动球阀组成。压风机压风机监控系统如图 1 所示。

3 PLC 集控设计

3.1 硬件组态设计

压风机硬件组态以西门子 300 系列 PLC为控制核心，如图 2 所示。硬件组态中主机架包含西门子PS307 5 A 电源模块 1 套、315-2 PN/DP CPU 模块1 套、IM365 扩展模块 1 套、CP340-RS422/485 通信模块 2 套、DI32*DC 24 V 数字量输入模块 2 套、DO32*DC 24 V/0.5 A 数字量输出模块 2 套。扩展机架包含 IM365 扩展模块 1 套、AI8*13 bit 模拟量输入模块 3 套、CP340-RS422/485 通信模块 1 套、AO8*12 bit 模拟量输出模块 1 套。

3.2 PLC 控制器软件流程设计

压风机系统的程序采用模块化设计，整个程序设计分为信号检测模块、压风机半自动控制模块和压风机全自动控制模块。

信号检测模块的主要功能是在线监测压风机运行状态、阀门的开关状态、压风机储气罐压力及温度、总管压力及温度、烟雾故障报警、压风机运行参数和电量参数。

压风机半自动控制模块是操作人员在现场或者在远程控制模式下根据压风机故障报警、压风机总管压力等情况一键启动或停止相应压风机。压风机达到自身压力高限 0.80 MPa 时，如果持续超过 1 min 就卸载运行；压风机达到自身压力低限 0.60 MPa，若持续 5 min 将加载运行。

压风机全自动控制模块的设计比较复杂，需要根据矿方的实际情况来具体设计。以攀煤公司花山的具体情况为例，该矿每台压风机自身高限卸载压力为 0.80 MPa，低限值开机压力为 0.60 MPa，高限卸载压力持续检测时间为 1 min，低限开机持续检测时间为 5 min。矿方要求井下供风压力保持在 0.60～0.80 MPa，并且要求减少设备卸载运行时间，以降低能耗损失，同时需要防止压风机频繁启停。为了解决上述技术问题，笔者采用阶梯式控制策略，将 PLC 程序中 1、2、3 号压风机的设定高限停机压力值分别设为 0.80、0.78、0.76 MPa，低限启机压力值分别设为0.64、0.62、0.60 MPa，高限停机压力持续检测时间为20 s，低限开机持续检测时间为 3 min。这样可以规避压风机进入卸载运行模式，压风机会根据 PLC 程序低限启机压力值自动启动，高限停机压力值自动停止。PLC 控制流程如图 3 所示。通过阶梯式的控制方式使得压风机在没有变频器控制的条件下达到最佳节能与控制效果，同时多台压风机可通过 PLC 程序修改高低限压力值的方式改变设备启停优先级，并且可以自主选择压风机自动投入数量。

3 台压风机给井下供风的初期，由于总管压力很低，系统会同时启动，井下的供风压力将迅速增大，当总管压力达到 0.76 MPa 持续 1 min，3 号压风机将停止，此时会出现以下情况。

(1) 井下用风量增大，总管压力持续下降，到0.60 MPa 以下持续 3 min，3 号压风机启动补压，总管压力维持在 0.60 MPa 以上。

(2) 1、2 号压风机运行，总管压力维持在 0.60～0.78 MPa，证明 1、2 号压风机运行刚好满足井下用风需求。

(3) 1、2 号压风机运行，总管压力上升达到 0.78～ 0.80 MPa 持续 20 s，2 号压风机将停止。此时又可以出现以下几种情况：①如果压力维持在 0.62～0.80 MPa，说明此时 1 号压风机刚好满足井下供风需求；② 井下用风量增大，总管压力将降到 0.62 MPa 以下持续 3 min，再次开启 2 号压风机自动补压，如果总管压力持续下降到 0.60 MPa 以下 3 min，系统将开启3 号压风机自动补压；③2 号压风机停止以后，总管压力升高至 0.80 MPa 持续时间 20 s 后，1 号压风机将停机，防止系统进入卸载运行状态，减少能量损耗；④ 当总管压力低于 0.64 MPa 持续 3 min，1 号压风机将自动启动补压，整个阶梯式控制过程以此类推。

通过上述方式实现了老旧矿井在压风机无变频器条件下的全自动阶梯控制，减少了压风机的空载运行时间和频繁启停次数。同时系统会根据总管压力自动决定投入压风机运行的台数，以满足井下用风需求，达到减员增效、优化控制的效果，让每台压风机得到充分利用。

4 软件设计

工程师站软件界面如图 4 所示。工程师站软件采用亚控公司的 King SCADA 组态软件开发设计，整个软件采用 C 语言脚本实现画面的动态展示。SCADA软件具有强大的图表展示功能、完善的报警服务功能并提供了丰富的函数和接口支持，易于开发。操作人员可以通过工程师站软件，详细直观地了解每台压风机系统的运行状况与主要参数，同时可以在线查询实时数据、历史数据、报警数据、操作权限、操作记录、运行记录等关键数据信息，历史数据和报警数据支持报表生成及打印功能。

5 结语

压风机阶梯式控制策略通过在花山煤矿的实际应用，使该矿压风机系统在无变频器条件下实现了无人值守全自动、阶梯式控制，更好地减少了压风机的空载运行时间和频繁启停次数。同时系统会根据总管压力自动决定投入压风机运行的具体台数，使压风机的总管压力维持在 0.60～0.80 MPa，满足了设计要求和井下用风需求。与原控制方式相比，控制策略大约节能 10%，达到了减员增效，优化控制的效果。该控制策略可以广泛地应用于不具备变频功能且需要节能降耗、减员增效的煤矿压风机系统，具有重要的推广应用价值。