徐 杰

（陽煤二礦機電工區(qū)， 山西 陽泉 045000）

引言

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中，局扇風(fēng)機主要用于降低礦井工作面溫度，為礦井提供新鮮空氣、稀釋、去除甲醛、除塵，是保證礦井生產(chǎn)安全穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵設(shè)備。在局部通風(fēng)機中應(yīng)用智控技術(shù)，可以有效提升通風(fēng)系統(tǒng)運行效率，確保生產(chǎn)作業(yè)活動有序開展，降低能源消耗和設(shè)備維護費用，獲得更高的調(diào)速精度[1]。

1 局風(fēng)扇系統(tǒng)的構(gòu)建淺析

礦井局扇風(fēng)機系統(tǒng)采用2臺相同功能的軸流風(fēng)機，每臺局扇風(fēng)機由8極變頻電機驅(qū)動，電機容量為450 kW電壓是10 kV。該局扇風(fēng)機還配有電機溫度測量元件Pt100，軸承溫度測量儀器，電機除濕加熱器，阻尼器和開閉裝置風(fēng)門，通局扇風(fēng)機參數(shù)（氣流，負壓等）測試儀表，帶RS485接口。該系統(tǒng)可實現(xiàn)自動頻率與手動頻率之間的變頻器輸出；同時，系統(tǒng)可以監(jiān)測局扇風(fēng)機運行狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)。

1）溫度參數(shù)：定子溫度、軸前后軸的溫度、風(fēng)扇的溫度。

2）電氣參數(shù)：三相電壓、電流、工頻、有功、無功功率、功率因數(shù)。

3）風(fēng)扇振動參數(shù)：水平和垂直振動參數(shù)。

4）風(fēng)扇狀態(tài)參數(shù)：油門位置和電機啟停狀態(tài)參數(shù)。

5）局扇風(fēng)機參數(shù)：局扇風(fēng)機靜壓、局扇風(fēng)機總壓力、風(fēng)管氣體和一氧化碳濃度、空氣流量、環(huán)境溫度和濕度等參數(shù)。

2 局扇風(fēng)機自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

局扇風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別用于自動調(diào)節(jié)風(fēng)量和自動監(jiān)測風(fēng)扇的運行狀態(tài)。系統(tǒng)硬件利用S7-300系列PLC的可靠性，并將其作為控制系統(tǒng)的核心，另一部分組成包括傳感器、變送器、觸摸屏、電參數(shù)采集模塊（包括電壓，電流變壓器）、溫度檢測儀、電腦、報警器等，通過通訊接口與局扇風(fēng)機參數(shù)測試儀，局扇風(fēng)機變頻設(shè)備，智能電源相互連接，監(jiān)測、收集阻尼器和風(fēng)扇的相關(guān)參數(shù)，上傳數(shù)據(jù)到PC監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)度中心，對空氣、煤氣、壓力和溫度等其他局扇風(fēng)機參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)測，系統(tǒng)支持遠程編程和遠程診斷。使用控制器輸出數(shù)據(jù)信號，變頻器根據(jù)反饋數(shù)據(jù)，合理調(diào)節(jié)風(fēng)量，保證規(guī)定范圍內(nèi)的礦井空氣質(zhì)量，提高局扇風(fēng)機效率，從而節(jié)約成本資源。S7-300系列PLC是對局扇風(fēng)機進行自動監(jiān)控的系統(tǒng)核心，自動監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示[2]。

圖1 局扇風(fēng)機組自動監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

3 局扇風(fēng)機智控系統(tǒng)的硬件設(shè)計及參數(shù)檢測

3.1 PLC模塊的選擇

該系統(tǒng)使用SIEMENSS7 300系列PLC，如圖2所示，硬件包括電源模塊，CPU314模塊，2個數(shù)字量輸出模塊 SM322（DO16×DC24 V/0.5 A），4 個SM331模擬量輸入模塊（AI8×16位），3個數(shù)字量輸入模塊SM321（DI16×DC24 V）。系統(tǒng)可執(zhí)行主要參數(shù)的檢測：

1）風(fēng)壓檢測。為了確保局扇風(fēng)機的安全高效運行，需要檢測風(fēng)扇的速率、風(fēng)壓和流量。系統(tǒng)壓力檢測采用GPD5差壓傳感器和GP5000負壓傳感器。傳感器將壓力或流量轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流模擬量輸入到模塊 SM331，4～20 mA電流被轉(zhuǎn)換為 0～27 648數(shù)字量數(shù)量由SM331發(fā)送給CPU。

圖2 S7-300的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2）溫度檢測。電機溫度和風(fēng)扇軸溫度的檢測是電機溫度的重要參數(shù)。礦井通局扇風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)溫度過高時，會導(dǎo)致局扇風(fēng)機不工作。溫度傳感器主要用于收集前后軸承溫度，電機定子溫度，該系統(tǒng)中的支撐軸承溫度等。由于鉑熱的高量程和測量精度，該系統(tǒng)使用PT100鉑熱電阻溫度傳感器來收集系統(tǒng)的溫度參數(shù)[3-4]。

3）振動強度檢測。系統(tǒng)檢測風(fēng)扇軸承在水平方向和垂直方向的振動，將采用振動位移傳感器與變送器的組合，軸承的前后安裝電機振動傳感器，電機軸承的振動強度為線性由模塊SM331轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號，并將電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號數(shù)量（在0～27 648之間）由模塊SM331發(fā)送給CPU。

4）電氣參數(shù)的測量。電氣參數(shù)是評估局扇風(fēng)機性能和監(jiān)測局扇風(fēng)工作機性能的重要指標。電氣參數(shù)可以了解風(fēng)扇的當(dāng)前運行狀態(tài)和故障狀態(tài)電機，有利于安全運行。系統(tǒng)的電氣參數(shù)包括三個三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、工頻、功率因數(shù)和其他參數(shù)。系統(tǒng)使用電力參數(shù)變送器來監(jiān)視電力參數(shù)，采用RS485總線方式傳輸功率參數(shù)。

5）測量氣體濃度。氣體的主要成分是甲烷。氣體濃度的測量選擇風(fēng)扇的出風(fēng)口或礦井底部。為了精確控制濃度，在出風(fēng)口和底部選擇礦井瓦斯傳感器進行檢測甲烷濃度，傳感器具有聲光報警和顯示功能，同時具有多路信號輸出格式和報警顯示功能，可與信號采集和監(jiān)測相匹配煤礦系統(tǒng)[5]。

3.2 變頻設(shè)備的設(shè)計

變頻系統(tǒng)為一臺驅(qū)動兩臺，及一臺變頻器控制兩臺局扇風(fēng)機同時運行。系統(tǒng)控制風(fēng)扇的運行速度，改善運行工況，通過逆變器達到節(jié)能效果。該系統(tǒng)使用專用發(fā)電機MM430變頻器，MM430內(nèi)置PID控制器，具有很高的靈活性和可靠性，逆變器具有完善的性能，包括過壓保護、過溫保護、短路保護等功能，輸出功率大范圍從7.5～250 kW，其中有一個集成的485通訊接口，變頻裝置還包括一個自動旁路柜。

4 局扇風(fēng)機智控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要有兩部分：總控中心的軟件設(shè)計和上位機軟件設(shè)計，這兩部分控制整個系統(tǒng)。

4.1 總控中心的軟件設(shè)計

該系統(tǒng)使用STEP-7編程。PLC 程序部分包括主程序和控制程序。其中主程序包括系統(tǒng)初始化程序、電機啟動、停止控制程序、故障診斷和報警、頻率控制程序、模擬采集過程等功能。初始化部分包括各種預(yù)置參數(shù)的初始化值，檢測硬件系統(tǒng)和電源，在確認過程準確后，啟動控制系統(tǒng)，模擬采集程序已經(jīng)收集了氣體濃度、溫度、空氣壓力、振動信號和轉(zhuǎn)換功能。

4.2 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的PC監(jiān)控軟件采用西門子WinCC組態(tài)軟件。組態(tài)軟件是局扇風(fēng)機與操作員工之間的互動界面。這是整個系統(tǒng)的監(jiān)視與控制核心，用于安排和管理整個系統(tǒng)。監(jiān)視器屏幕可以顯示監(jiān)視參數(shù)信息，報警和設(shè)備故障情況[6]。

5 結(jié)論

礦用變頻局扇風(fēng)機智控系統(tǒng)不僅可對風(fēng)扇運行狀態(tài)進行監(jiān)測，而且可對風(fēng)扇故障進行檢測與診斷。該系統(tǒng)具有良好的交互性，可以在統(tǒng)一的平臺上查詢、顯示和控制系統(tǒng)，保證局扇風(fēng)機穩(wěn)定運行。