基于PLC,的通风机监控系统在花山煤矿的应用
时间：2022-12-06 18:20:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
胡 峰
中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400039
主通风机监控系统是保障通风机正常运行的关键，其自动化水平具有重要意义。花山煤矿通风机监控系统存在人工手动操作、人为判断故障、自动化程度低等问题，笔者设计了 AB1756 系列 PLC 为控制核心的通风机系统。实现了通风机系统实时在线监控。该系统不仅提供报警记录、运行记录、实时数据、历史数据、报表查询、视频图像等功能，而且能够在花山煤矿现有设备条件下实现一键全自动倒机和反风操作，为煤矿安全生产提供了有力的保障。
花山煤矿通风机监控系统主要受控设备为：①2 台煤矿防爆压入式对旋轴流通风机；
② 2 台风门绞车；
③2 台电力变频器，变频器对风机的两级电动机进行一拖二变频控制；
④ 6 台高压开关柜及 3 台备用开关柜；
⑤ 2 台低压开关柜。
通风机系统的高压供电和低压供电均采用双回路供电方式，同时系统采用变频控制。通风机监控系统总体结构如图 1 所示。
图1 通风机监控系统总体结构Fig.1 Overall structure of monitoring system for ventilator
为保证通风机系统监控的可靠性，系统采用硬件冗余架构，由 2 台互为硬件冗余的 PLC 同时监控现场设备，确保系统的可靠性、安全性。系统的工程师站由 2 台工控机组成，互为备用，由 1 台 UPS 统一供电。系统的传输层依靠矿方已建成的工业以太环网，通过该环网保证了系统数据传输的可靠性、稳定性。现场执行层主要由高压开关、低压开关、电力变频器、PLC 控制柜、风门绞车控制箱、温度巡检仪、压力传感器、振动传感器、开停传感器和电量模块等组成。
3.1 硬件组态设计
现场采用 AB 1756 PLC 为控制核心，硬件组成包括 1 个 CPU 电源模块、1 个 1756-L71 CPU 模块、1个 1794-AENTR 双网口以太网通信模块、1 个 1756-EN2TR ENT 双网口以太网通信模块、2 个 1794-IB32/A DI 模块、1 个 1794-OB32/A DO 模块、1 个1794-OB16/A DO 模块、2 个1794-IE12/A AI 模块、1 个 1794-IE4*OE2/B AIAO 模块。其中 1794-AENTR以太网通信模块下面挂载了所有的 DI、DO、AI、AIAO 模块。CPU 模块通过以 1756-EN2TR ENT 太网通信模块与 AENTR 以太网通信模块连接，实现所有模块与 CPU 模块的通信。PLC 硬件组态如图 2 所示。
图2 PLC 硬件组态Fig.2 PLC hardware configuration
3.2 PLC 软件流程设计
主通风机监控系统的自动化程序采用模块化的设计，分为信号循环检测程序、一键启动程序、一键停止程序、一键倒机程序、一键反风程序。PLC 控制流程如图 3 所示。
图3 PLC 控制流程Fig.3 PLC control flow
3.2.1 信号循环检测
信号循环检测程序主要检测主通风机的风门状态、电动机开停状态、绞车控制箱状态、负压传感器值、差压传感器值、振动传感器值、风门位置、风门倾斜角度、低压开关分合闸状态。同时利用 485 通信循环读取高压开关的状态参数、变频器的状态参数、温度巡检仪采集到的通风机电动机温度值等状态信息。
3.2.2 一键启动
一键启动程序主要实现操作人员在远程控制模式下一键启动相应通风机设备。一键停止程序主要实现操作人员在远程控制模式下，一键停止相应通风机设备。
3.2.3 一键倒机
一键倒机控制程序是在高低压供电开关、风机变频器、风门均正常的情况下，实现通风机系统的全自动倒机。
首先，系统检测高低开关、变频器是否正常，如果有故障，则报警终止流程。其次，系统进入主通风机变频器降频Ⅰ阶段，主变频器输出频率由 50 Hz 降至 10 Hz，此时主通风机变频器进入降频 Ⅱ 阶段，与此同时，同步进行主通风机风门关闭和备用通风机风门打开操作。风机在 10 Hz 条件时运行，风流对风门的升降基本无影响。因此在 10 Hz 时，对主备用通风机风门进行同步操作。该操作比原来所用时间节省了85 s。再次，主变频器输出频率由10 Hz 降至 0 Hz，主通风机变频器停机，同时合闸备用通风机变频器高压开关。最后，系统检测到各备通风机高压开关合闸，风门开到位，同时主通风机风门关到位后，便启动备用通风机变频器，分闸主通风机高压开关，待备用通风机频率由 0 Hz 上升至 50 Hz 时，整个倒机过程完成。倒机过程中发生任何故障，系统都会报警终止流程。
倒机时间
式中：Td为通风机频率由 50 Hz 降至 10 Hz 所用时间，s；
Tm为通风机主风门关闭，同时备用通风门打开时间，s；
Tu为通风机频率由 0 Hz 上升至 50 Hz 所用时间，s。
变频器启动输出频率上升时间和变频器停机输出频率下降时间均由变频器厂家根据通风机工况条件设定，为每 2.5 s 升频或者降频 1 Hz。
3.2.4 一键反风
一键反风控制程序是操作人员在远程控制模式下一键实现通风机系统的全自动反风。
首先，检测系统运行的变频器；
其次，变频器输出频率由 50 Hz 降至 0 Hz；
最后，系统打开变频器反向运行模式，同时启动通风机变频器，待通风机频率由 0 Hz 上升至 50 Hz 时，整个反风过程完成。反风过程中发生任何故障，系统都会报警终止流程。
反风时间
式中：Td1为通风机频率由 50 Hz 降至 0 Hz 所用时间，s；
Tu1为通风机频率由 0 Hz 上升至 50 Hz 所用时间，s。
3.3 风量计算模块设计
3.3.1 理论计算
根据花山煤矿现场实际情况系统采用静压差法对通风机风量风速计算。通风机静压监测点布置如图 4所示。
图4 静压传感器安装位置Fig.4 Installation position of static pressure sensor
通风机风量
式中：k为能量损失系数，一般为 0.96～0.99；
S1为集流器处的横截面积，m2；
S2为机体处的横截面积，m2；
p1为集流器处的静压，Pa；
p2为机体处的静压，Pa；
ρ为测量截面气流密度，取ρ＝1.2 kg/m3。
假设通风机测点处的横截面积为S，则测点处的风速
3.3.2 软件设计
风量风速程序模块如图 5 所示。Big_dim 为集流器处横截面半径；
Small_dim 为机体处横截面半径；
Core_dim 为机体处一级电动机壳体半径；
ChaYa 为集流器处与机体处的压力差。
图5 风量风速程序模块Fig.5 Wind volume and wind speed program module
工程师站如图 6 所示。工程师站采用 AB Factory Talk View 设计，画面简洁美观，图表功能强大。通过工程师站，操作人员可以实时了解通风机运行状况，同时还能对通风机系统进行一键倒机、一键反风操作。工程师站直观地展示了通风机的风速、风量、压力、温度、振动、变频器频率、电动机参数、风门倾斜角度、风门位置等关键性数据，同时提供了实时报警、实时数据及报表查询和现场视频图像录制等功能。
图6 工程师站Fig.6 Engineer station
通过在花山煤矿现场实际应用表明，通风机监控系统具有安全可靠、操作简单、易于维护等特点。该系统可直观地展示通风机控制系统的系统参数、报警状态、运行状态、图像信息，为系统正常启停、一键倒机、一键反风提供有力的操作依据和判断依据。该系统的一键倒机程序和一键反风程序将现有条件下的通风机系统倒机和反风时间控制在 5 min 以内，不仅大大提升了倒机和反风效率，而且为故障状态下人为干预操作提供了充足的时间，满足了煤矿安全规程规定的 10 min 内完成主通风机倒机和反风的要求。
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