风井主扇风机电控系统设计分析.pdf

2019．10 机电设备 电子乐园 281 风井主扇风机电控系统设计分析 杨盛东 南京傲拓自动化技术有限公司， 江苏南京 210000 摘要风井主扇风机是大型矿业制造中的超大型关键载荷核心部件，该部件是否有序高效工作是矿业能否顺利作业生产的重要影响因 素。本文主要讨论了矿业设备中的风井主扇风机电控系统设计，系统以 NA400 系列 PLC 作为控制核心，考虑到系统要求的控制器冗余和 控制模式冗余，设计了 PLC 程序、上位机程序及主扇风机在线监控系统，能够实时、高效、安全地对风井主扇风机的运行进行控制和监测， 提高了通风设备的自动化管理水平。 关键词PLC；冗余；风井主扇风机；控制系统 引言 煤矿资源是十分重要的能源形式， 而风机作为煤矿生产的四大件之 一， 主要向井下输送新鲜的空气、排除瓦斯气体以及降低井下湿度和温 度， 其自身的安全程度和电气控制自动化程度会对煤矿整体生产作业的 自动化程度和安全性能产生重要影响。要想大幅推动煤矿产业的发展， 对煤矿中风机的自动化、电气化控制进行加强是十分必要的。当前，国 内矿井的主扇风机长期工作在全功率负荷环境下， 大多通过风门角度或 风叶角度来对风量和风压进行控制调节，造成大量电能的浪费；同时， 部分煤矿风机的监控及管理难以保证实时性和准确性， 其设备运行情况 不能在现代化数据监控和分析下进行。因此，本文设计了基于 PLC 的 风机自动控制及在线监测系统，能够对故障进行准确判断和预测， 而且 监测数据分析透明、运行平稳。 1 项目概况 本文主要对山西煤炭运销集团水磨湾煤业主扇电控系统进行设计 和分析。 该煤矿的通风机房配备两台对旋式轴流风机，每台风机有两台 电机，每台电机设置 5 个 PT100（定子三个，前后轴各一个），转速为 980 转/分钟，风量为 3575 立方米/秒，功率为 2*75KW，电压设置为 380V。由于此项目要求该矿的风机系统必须 24 小时不停机运行，因此 在设计系统时必须考虑控制器冗余和控制模式冗余。同时， 为了随时掌 握通风系统的运行状态，还要设计主扇风机的在线监控系统，对主扇风 机的功能部件进行实时监测， 从而转变了之前人工设备监测方法， 有效 的不仅了该矿通风设施的智能化和现代化。由于工业控制 PLC 有着很 高的灵活性和可靠性， 可以在各种控制场合中广泛使用， 而且风井主扇 风机长期在恶劣环境中工作， 对系统稳定性要求极高，而与其他继电器 相比，PLC 适应能力强，而且性能可靠，因此在本设计中将 PLC 作为 系统的核心。 2 风井主扇风机电控系统相关理论分析 2.1 矿井通风系统的构成 在煤矿生产中， 主扇风机负责整个区域的通风情况， 影响了作业区 域的氧气含量、 风速大小等， 其正常工作与否对于整个矿业作业是否顺 利进行以及作业人员的人身安全是否具有保障具有重大影响， 因此主扇 风机是该通风系统的一个最重要的环节 [1]。一般来说，通风系统包含以 下几个主要部件，煤矿除了需要具有正常工作的风洞之外， 还必须备有 备用风洞，可以在一个风洞检修的同时另一个备用风洞正常工作， 保证 生产的顺利进行；同时也可以防止某个风洞出现意外，减少人员损失。 （1）电机部分风门电机用于控制风闸门，在日常生产中控制通 风， 以及在维修环节进行使用， 通常情况下需要布设四台才可以满足实 际需要； （2）闸门部分该部件是风门电机所控制的部分，以闸门的形式 立于风门电机的进口部位，其开口的大小可以控制进风的多少； （3）通风道用于测定静态气压，通常布设在风门电机的风口部 位。 2.2 可编程控制器（PLC）系统及冗余技术 2.2.1 PLC 结构 通常情况下，非小型 PLC 主要使用机架式服务器的结构化方法进 行结构布设。根据其服务器部署情况，分成 3 个类型主机架、远端机 架服务、 本地机架服务。 包含有 CPU 部分的机架就称为 PLC 的主机架， 该机架中配有有一些客户所需的其他部件，如通信部件、读写部件等。 由于硬件设备的限制， 即卡槽数是一定的， 所以当现有的读写部件无法 满足客户的需求时，此时需要本地机架服务；如果读写对象较为离散， 物理间距相差很远，这种情况下采用远端机架服务来满足客户的需要 [2]。 通常情况下， PLC 结构主要分为三个部分基础层、电子控制层 以及信息处理层，具体细节见图 1。 图 1 典型的 PLC 系统的三层网络结构 2.2.2 冗余技术 冗余技术，本质上就是在满足基本工作需要的基础上，布设更多的 部件。根据分类方式的不同，具有多种分类结果。根据冗余的级别大小 来看， 分为元件级、 部件级和结构级冗余； 按照冗余数目的差异性来看， 包括一对一、 一对二和一对多等。如果目前的设备具有较好的工作效率 以及较低的出错率，则采用一对一的冗余方式完全可以满足现有需求， 此外，一对一的冗余减少了不必要的经济开支，提高了生产效益。鉴于 此， 在实际生产中， 大多使用该冗余技术 [3]。 南大傲拓制造的 NA400PLC 设备使用的是高自动化结构， 具有三层网络中关键环节的冗余配置和层 间通讯冗余连接，以及各类模块的信息同步、热插拔、故障诊断、故障 隔离等冗余技术。 3 风井主扇风机电控系统设计应用分析 3.1 控制器冗余 通常情况下，PLC 冗余的主要目标就是为了降低原设备的出错率， 提高生产效率第一，冗余可以最大可能的降低停工率，减少由于设备 （下转第 345 页） 2019．10 能源科技 电子乐园 345 统计分析，做好相关资料的档案管理， 在出现计量交接纠纷时要有合理 解决和提前预防准备。 2．3 加强对计量表的监控管理，对后续开发用户采用新技术，物 联网表，实时数据回传，异常情况报警。 2．4 针对老用户加强其计量表具的维护与管理工作定人定编逐步 换用新表。对供气量大的用户采用一炉一表。民用户采取低压供气，不 超过 2KPa 灶具额定灶前压。以防冬天热胀冷缩亏损严重。 2.5 及时成立督察队，防止并打击偷盗气行为，加大对不法用户偷 盗气的查处力度。并与有关部门燃管办，公安共同配合，联合执法。同 时深入用气现场，多方了解情况，采取有奖举报。查处偷气事件，捍卫 企业的权益。 2.6 一般而言，为了达到能够独立计算燃气的目的，燃气企业必须 要基于一定的经营范畴，针对管道的特点， 这里主要指其走势还有供气 位置，基于一定的基础上，按照计划书准确的划分管网，最终形成网格 单元，主要用作计量的作用。 2.7 为了达到能够及时的掌控施工的各个步骤等情况，同时也能够 减少燃气的浪费，在第三方破坏管理的内容上，相关的燃气公司必须要 大力提高对管道的监控程度， 这里主要包括了两个方面的内容， 分别是 巡线力度以及次数。 值得注意的是， 为了充分保证燃气管道在正常工作 的时候能够顺畅， 相关的燃气公司还必须积极的与当地城管等相关的专 业人员进行交流，探讨，最好能够在施工的时候，就拥有严格的工作制 度。与此同时，在具体实践施工的过程中，还必须实时掌控燃气管道的 各种情况。与此同时，针对恶劣行为等造成煤气泄漏等的不良现象，不 仅需要对其进行严格的罚款，同时也必须基于相关法律法规的基础上， 对其进行依法严惩的操作。 2.8 基于安全的基础上，为了能够实现在很大程度上降低燃气浪费 的现象的目的， 我们应当大力重视对燃气放置的管理，这里主要包括了 对其进行一定时间段的维修的操作。值得注意的是，以上所有的步骤， 都必须要及时得到登记。与此同时， 对场站实现自用气的计量以及管理 操作也是至关重要的。 2.9 对大气量用户定期表具检验，罗茨流量计的检定必须要基于相 关条例的基础上。根据相关的资料表明，对流量计的检验方法有明确的 对应的法律法规的规定，如超声波，涡轮等内容。此外，还包括了以下 几个方面的内容，主要涉及了膜式燃气表压力以及变送器温度变送器 等。加强组织学习，开展经验分享活动，共同提升计量管理水平。 3 结束语 供销差率是影响燃气企业经济效益的重要因素，必须引起高度重 视。 与此同时影响供销差率的综合因素很多， 涉及燃气企业的多个部门 和专业， 近年来燃气企业加快了对站控系统、 物联网表远传系统及客户 综合管理信息化系统的建设力度， 燃气供销差率管理工作将逐步由经验 安排部署向科学规划管理推进。 参考文献 [1]王臻，陈丹．城市管道燃气供销差的产生原因及对策[J]．煤 气与热力，2004，246343-344． [2]李宝清，孙洪梅．管道天然气供销差分析[J]．煤气与热力， 2013，322B40-B43． [3]潘志军，李蓉，潘腊珍，等．燃气供销差的成因、计算方法 和解决方案[J]．煤气与热力，2011，311B28-B36． [4]范金生．燃气供销差的主要因素与整治[J]．煤气与热力， 2009，294B38-B41． [5]潘志军，李蓉，潘腊珍等．燃气供销差的成因、计算方法和 解决方案［J］．煤气与热力，2011；31（1）28-36 [6]赵宝林，武振宇．浅谈城市燃气供销差产生的原因与对策 ［J］．中州建设，2008；06 [7]徐秋珂， 苗翠芳.城市燃气供销差的成因分析及对策建议 ［J］ . 淮北职业技术学院学报，2011；10 （上接第 281 页） 停转造成的生产停止现象的发生，保证生产的顺利进行；第二，能够帮 助系统运行人员对系统进行在线维护，及时地对故障模块进行更换；第 三，尽管有模块局部故障也不会影响整个系统的运行；第四，能够配合 其它软件对整个系统进行在线升级操作。为了达到控制器冗余的目的， 同时兼顾高的性价比，项目采用的是国产的南大傲拓冗余 NA400 系列 PLC，将两台 PLC 互为冗余，假如若其中一台 PLC 发生了故障，将自 动切换到另外一台 PLC 继续运行，从而能够保障整个系统处于可靠运 行的状态。 3.2 控制模式冗余 为了实现控制模式冗余，本文采用了两种控制机制， 即上位机模式 和操作台模式。 通过转换开关来切换控制模式，上位机模式主要是通过 PLC 软件和组态软件来编制相应的程序， 从而实现显示工艺流程图和测 量数据的要求。 而操作台模式采用的是纯逻辑电路控制， 它是由若干个 按钮和继电器组成的， 利用矿井现场操作台上的按钮来对单个设备进行 起动\停止操作。通过分析可知，这两种控制模式互为冗余，当系统正 常运行时处于上位机模式，一旦 PLC 损坏或者出现网络故障，可以切 换到操作台模式，以此来保障矿井的连续生产和安全。 3.3 PLC 程序及上位机程序设计 人机交互是所有监测设备中的必备环节， 机器可以将数据实时回传 到数据中心， 管理人员通过数据分析可以对现有系统的工作情况进行全 方位的掌握。同时，管理人员可以通过调阅日志检索到历史信息。为了 使矿井通风系统简洁明了，而且便于维护。本文中 PLC 程序设计主要 包含五个结构模块 ①自动集控功能模块②自动手动功能模块③模拟 量处理模块④与组态王通讯模块⑤报警模块。 而上位机程序设计分为六 个模块①监控画面②参数配置画面③报警画面④建立 SQL 数据库⑤ 实时趋势图和历史趋势图⑥数据的存储与查询 3.4 主扇风机在线监控系统 本文中的主扇风机在线监控系统是由南大傲拓冗余 PLC、 以太网交 换机、组态王监控软件、工控机监控站、以及振动、压力、温度等传感 器等元器件组成的。 此系统可以利用相关的传感器对矿井中的风压、风 速、 主通风机的运行状态、 相关部件的温度大小等通风机部件实时监控。 该系统内风机房的 PLC 控制器通过光缆与工业级光纤交换机组成了光 纤工业以太网， 从而可以与调度室工控机进行数据通讯。 在调度室设置 工程师站和操作员站， 这两台工控机都是通过授权的方式来管理登录权 限，监控整个系统的运行情况，同时能够查看各种数据的分析、统计及 报警的报表。 4 总结 本文使用了上位机模式和操作台模式的两种控制机制， 基于 NA400 系列 PLC，将两台 PLC 互为冗余，设计了 PLC 程序、上位机程序以及 主扇风机实时监控设备，在实际作业过程中动态了解设备的工作情况， 提高了设备的可靠性。同时，该方法布设方式灵活、费用合理，可靠性 高，具有较好的应用前景。 参考文献 [1]张征富.浅析可编程序控制器（PLC在电气控制中的应用[J]. 内蒙古石油化工,2015. [2]吕丽荣.可编程控制器在电气控制中的应用[J].内蒙古科技与 经济,2015. [3]李平利.基于 PLC 与变频器控制的矿井主扇风机系统设计[J]. 煤矿机械,2012,（07）.