基于PLC,控制的矿井主通风机监控系统设计

王 磊

（山西焦煤西山煤电东曲煤矿，山西 古交 030200）

矿井通风系统主要通过通风设备将地面新鲜空气沿设计路线、按照设计风量源源不断输送至矿井内各用风区域，同时将井下乏风抽排至地面，以便将井下有害气体浓度稀释至煤矿安全操作规程允许范围内，为井下设备运行及安全生产提供必要条件。矿井通风系统主要包括主副通风机、风井、风门等部分，其中，主通风机是矿井通风系统的核心机械，也是风机监测系统重要的监测对象。应用先进的自动化系统既能实现对矿井主通风机的远程监控，又能集中监测通风系统运行工况，测报并处理运行故障，是保证煤矿通风安全的根本途径。

1.1 结构构成

本研究所设计的基于PLC 控制器的矿井主通风机自动化监控系统主要采用先进的MCGS 组态软件和S7-300 型PLC 控制器，可实现对煤矿主通风机运行过程中温度、压力、风量等变量的实时监测，并基于所收集到的监测数据在线绘制风量-电流、功率-风量、压力等效能曲线[1]，体现主通风机实际运行工况。同时还具有系统故障预警、报表统计处理等辅助功能，其与调度中心主控站的连接通过工业以太网实现。监控系统内主通风机均按照一主一备两套设备的冗余结构设计[2]，当主设备出现运行故障，则备用设备立即投入运行。每台风机均配备两台电压10 kV 的高压异步电动机，每台电动机在出厂前均装配三相定子及温度传感器；
为调节风量及倒换风机，各风机风道内均应设置一扇地面风道闸门。每道闸门均由1 台功率11 kW 的三相交流电动机拖动，旋转风门则通过功率40 kW 的交流电动机拖动；
为确保矿井主通风机附属设施的可靠运行，还应增设2 台总功率50 kVA的干式变压器综保装置。

系统总体结构构成情况详见图1，S7-300 型PLC控制器为系统的核心，并设置有4 组SM321 直流输入模块、1 组SM322 直流输出模块、4 组SM321 通道模拟量输入模块、1 组SM332 通道模拟量输出模块；
所采集到的主通风机系统运行参数主要通过各种传感器传输至CPU 运算、处理。主通风机系统和高压开关柜综合保护装置之间通过RS485 连接，便于综保装置开关量信息和开关柜模拟量信息等的实时读取，采集并输出电网电压、运行电流、功率等参数。

图1 基于PLC 控制器的矿井主通风机自动化监控系统总体结构

全部PLC 状态、模拟量信息及控制点信息均通过PROFIBUS 接口输入交换机，分配后再进入工业以太网，通过TCP/IP 协议高速光纤传输至调度中心主站。在煤矿中央控制室内设置远程监控中心，并借助TCP/IP 协议通过煤矿全局光纤网将现场测控部分接入中央控制室，以便对主通风机监控系统实行集中管理。

1.2 参数监测

1）温度监测：主通风机电机定子温度及三相绕组温度均通过风机内部测量电阻获取，流体温度则由JWB 防爆一体化温度变送器测量取得，输出信号5～20 mA，且均通过屏蔽双绞线传输至多路温度巡测仪，该仪器主要运行于0～50 ℃且相对湿度90%以下的环境中，精度可达到0.2～0.5 级。

2）风机启停监测：煤矿矿井交流驱动机电设备运行状态主要由SG4KGT9 开停传感器监测，将所收集到的设备运行状态信号转换后传输至PLC，该传感器主要应用新型抗干扰设计，安装方便、能耗低、性能稳定。

3）振动参数监测：通常情况下，振动测试不包括在主通风机投运前的特性测试中，但包括在性能在线监测中。TMS-HZD 一体化振动变送器集成了振动传感器和精密测量电路，可与PLC 系统连接并安装在旋转装置轴承盖上，实现对振速或振幅的高精度测量。

4）压力监测：测点通常设置在风机入口处，并通过压力传感器将所得到的压力信号成功转换为5～20 mA 的标准电信号。

5）电气参数：煤矿主通风机高压开关为综保装置，可实现其配套电机负载、空载电压、电流、功率及电网电压、电流、功率等参数的采集及线路保护。

基于PLC 控制的矿井主通风机监控系统软件主要由集中管理和分散控制两个部分构成，前者主要采用MCGS 监控系统软件，后者则采用STEP-7 编程控制软件。MCGS 监控系统包括MCGS 组态环境和MCGS 运行环境两部分，组态环境工具软件可为用户设计实际应用系统，运行环境则相对独立完成组态设计目标功能。MCGS 监控系统具有实时显示通风机运行状态、实时绘制曲线、实时报警、查询数据报表、故障倒机等多项功能。

1）实时显示通风机运行状态。MCGS 监控系统可以进行每台通风机累计运行时间、入风口负压、风筒流量、风门及检修门工作状态、制动器及释放限位开关运行状态、液压泵站油箱实时温度及油位、轴承温度和绕组温度、风机叶片开度、液压站加热器等电机运行工况的实时显示，以反映通风机实际运行性能状态。

2）曲线绘制。特性曲线体现的是风机风筒过气流量和比功之间的对应关系，坐标原点为风机目前工况点，所在区域即体现风机效率值；
气体流量主要与风机入风口负压传感器和温度传感器以及入风口和轮毂间差压传感器测量值有关。功率-风量曲线是风机风筒所流经的气体流量与电机轴功率关系的体现，电机轴功率为电机有功功率和传动损耗系数之乘积[3]。

3）实时报警。在本研究所设计的基于PLC 控制器的矿井主通风机自动化监控系统运行过程中，若通风机轴承温度、喘振裕度、定子温度等超出所设置的上限或开关量运行状态异常，则屏幕上报警画面将自动弹出，信号颜色也由绿变红，报警灯持续出现声、光报警信号。

4）查询数据报表。系统运行当前时刻的实时数据可直接按照设定的报告格式显示并打印；
历史数据需要从数据库内提取后按设计格式显示并打印。

5）故障倒机。通风机在运行过程中如果发生故障，系统便自动倒换至另一台通风机。这一过程中主要以界面预先设定的操作步骤为依据，在PLC 系统的控制下自动检测需要倒换通风机的各项性能，待全部性能均满足运行要求后按照设计步骤逐步实现倒机。

本研究所设计的基于PLC 控制的矿井主通风机监控系统应用后，温湿度及有害气体浓度传感器和上位机分别与PLC 连接，PLC 与设备控制变频器连接。工作人员可通过组态王上所显示的监控图观察、了解并记录矿井内主通风机通风量及风速等实时变化过程；
在运行调试过程中，通过人为调高系统温度传感器四周温度或增大矿井内有害气体浓度，则温度传感器立即感应到高温或有毒气体信号，并将该信号实时输入PLC，PLC 系统便通过比较值法准确判断出高温或有毒气体所在区域，并同时在上位机上通过高温或有毒气体预警灯显示出来，此后，系统会自动启动大风量模式，通过加快风速使矿井内局部温度快速降低、有害气体快速消散。与此同时，再通过人为方式调低温度传感器周围温度，则由温度感应器所感应到的低温信号同样实时传输至PLC，PLC 系统将信号反馈至上位机，由上位机发出预警。总之，无论矿井温度处于高温还是低温状态，均可以通过PLC 控制的主通风机监控系统调节供风量及风速，达到系统所设定的矿井安全水平，取得较好的控制效果。

煤矿主通风机运行工况对矿井安全生产作用重大，对主通风机进行实时监控也十分必要。本研究所设计的基于PLC 控制器的矿井主通风机自动化监控系统以S7-300 型PLC控制器为监控核心，选用性能优良的传感器、变流器等检测装置，实现对主通风机和配套设备运行状态的实时监测以及煤矿矿井正常通风和反风控制，使主通风机监控自动化水平大大提高，也为煤矿矿井设备管理、运行维护提供了可靠依据。

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