【摘 要】本文设计的煤矿通风机自动监测控制系统采用西门子S7300系列PLC作为下位机采集通风机的各个参数及瓦斯浓度，以变频器实现风机的变频调速，并用上位机实时显示并监测各个参数和系统的运行情况。该系统的应用能使风机始终保持在高效、经济的运行状态，降低了瓦斯事故发生率，使整个通风机系统更加安全可靠。
【关键词】PLC；变频器；通风机
引言
随着煤矿开采规模的不断扩大，瓦斯灾害问题日益突出。在煤矿安全生产中矿井通风系统起着极其重要的作用。矿井通风机因为承担着向井下输送新鲜空气、瓦斯气体排放的重任，是煤矿安全生产的关键设备，因此对矿井通风机的各个参数和瓦斯浓度的监控非常必要。由于通风机属于负荷平稳、启动不频繁的设备，所以传统的方式是采用交流鼠笼型电动机拖动的不调速电控系统，靠调节风门来调节风量。这种方式设备简单、初期投资小、可靠性较高，但是能耗大。同时，在实际开采过程中，随着采掘工作面的推移、采煤方法、井下工人数量及瓦斯涌出量的变化，通风机的正常运行和经济运行都要求进行风量调节。为了达到节能效果，通风机的风量调节可以改成通过调节风机转速来实现，也即是控制通风机的转速随着瓦斯浓度等参数的变化而自动调整，进而实现风量的自动调整，从而降低风机能耗，节省大量电能。随着变频调速技术和PLC控制器的快速发展，以PLC为控制核心结合变频器组成的控制系统因其可靠性高、抗干扰能力强、维修方便、节能等优点，已经成为各煤矿企业的首选。本文设计的煤矿风机自动监测控制系统采用西门子S7300系列PLC作为下位机采集通风机的各个参数及瓦斯浓度，以变频器实现风机的变频调速，以上位机来显示并监测各个参数和工作设备的运行情况。
1、风机自动监测控制系统要求
通风机自动监测控制系统在煤矿安全生产中起着非常重要的作用，该系统要能够对风机的各个参数进行实时监测，并根据监测结果实时调整风机的输出风量大小，同时，还要能够实现随时通过上位机界面的操作实现风机的启停、报警及故障处理等等。基于PLC的煤矿风机自动监测控制系统需实现的主要功能如下：
（1）通风机可以实现软启动，为了安全生产的需要，该系统要能够实现风机的变频和工频运行状态的自动和手动切换。
（2）当风机处于变频工作状态时，能够根据井下的实际情况，如风压、瓦斯浓度等参数的大小，实时进行风量的自动调节，以满足安全生产的需要。
（3）当检测到井下瓦斯浓度超过《煤矿安全规程》所规定的安全标准时，发出声光报警，并同时对通风机输出相应的控制信号，改变风量和风压等以排出瓦斯。
（4）实时检测风机的电量参数：电压、电流、功率等，实时监测风机前后轴温、振动情况，实时检测电机定子的温度。当以上参数超出设定值规定范围时，即触发系统的报警和故障处理功能，发出声光报警，并立即进行风机运行状态的切换。
（5）通过上位机界面实现人机互动功能：实时模拟显示风机系统运行状态图，并把实时监测数据在模拟运行画面上动态显示、按需求记录实时监测数据，记录报警事件，生成实时数据报表并打印，允许已授权的操作人员通过上位机界面直接控制风机的启停，以及对报警信号进行紧急处理等操作。
2、控制系统的组成及控制过程分析
2.1系统组成
如图1所示，基于PLC的煤矿风机自动监测控制系统，主要由PLC、变频器、风机、各种信号传感器、扩展的A/D转换模块、上位机、声光报警电路等组成。现分别介绍一下主要硬件的选择和功能要求。
2.1.1PLC
在本系统中PLC选择的型号是西门子的S7-300系列PLC。S7300是模块组合式PLC，由基板及模块组成，有多种基板可供选择，可根据实际需要构成不同的系统。本系统采用S7300系列的CPU作为核心处理单元，再根据系统实际需要选择相应的输入输出模块，可以方便地实现如下任务：①采集外界各设备的状态信号及模拟信号；②根据风压和瓦斯浓度等信号确定向变频器输出控制信号大小；③若外部设备故障，PLC接通报警装置，实现故障报警；和上位机通讯。
2.1.2变频器
变频器在系统中的功能是：变频器直接控制电机，通过调速来驱动风机工作，从而提高了风机的传动效率。使用变频器后，电机的输入功率明显减少，运行工况明显改善，控制精度高，响应速度快，节约电能，使整个系统工作平稳。本系统中的变频器可采用西门子变频器MM430，MM430是泵类和风机专用变频器，功率范围在7.5KW～250KW，使用内部互联技术，具有很高的可靠性和灵活性。MM430采用线性V/f控制，并带有增强电机动态响应和控制特性的磁通电流控制（FCC），内置PID控制器，集成485通讯接口，带有完善的过电压、欠电压、变频器过温、短路保护等等。控制软件可以实现专用功能：多路切换，手动/自动切换，节能运行方式等。
2.1.3监测传感器
系统传感器主要有振动传感器、温度传感器、瓦斯传感器和风压传感器组成。各传感器具体功能如下：
振动传感器：主要用来检测电机的前后水平垂直的振动参数，转换成0～20mA的电流信号，送入PLC的模拟量输入模块。
温度传感器：采用高集成度的温度变送器，主要监测风机工作时的电机轴承温度和联轴器温度，并将该温度值转换成电信号送给PLC，PLC把当前温度与设定温度进行比较，一旦温度超过设定温度，则启动对应的处理程序。
瓦斯传感器：采用专门用于监测煤矿瓦斯气体浓度的集成式瓦斯浓度变送器，主要是实时检测井下瓦斯浓度并自动转换成电信号送给PLC，PLC再根据测得的瓦斯浓度的大小确定送给变频器的控制信号，进而调节风机的转速，控制风机的输出风量。
风压传感器：由于风量与差压存在对应关系，所以风量的检测可以采用工程检测方法，即用压力传感器测得差压，再根据差压计算出风量。因此系统可选用压力变送器，测点选择在风机的入口，将取得的压力信号、负压信号转换成电信号。
2.1.4报警电路
报警电路采用声光报警方式，当变频器或PLC故障或停止工作时，报警指示灯持续点亮，同时报警器也会发出持续报警声，同时风机停止运行。在本系统中现场报警的同时，在上位机界面上也会有报警指示。
2.2控制过程分析
从图一的系统组成框图来看，本文所讨论的系统采用的是一台变频器控制一台风机，实际煤矿中考虑到安全生产的需要，还需要增加一台变频器一台风机，每台变频器和风机为一组，两组互为备用。系统采用软启动以降低启动电流。总体的控制策略是：在变频状态时，瓦斯传感器和风压传感器分别采集工作面的实际瓦斯浓度和风速大小，并转换成对应的电信号传送给PLC，PLC根据工况需要计算出此时是否需要调整风量以及风量调整的程度，并把这个增加或减小的风量转换为对应的电信号输出给变频器，变频器根据输入的电压信号的大小控制风机的转速，从而实现闭环控制系统。
3、控制系统软件设计
PLC的控制程序由一个主程序和若干子程序构成。由于硬件采用的是西门子的PLC，所以控制程序可以采用西门子公司提供的STEP-7V5.5编程软件开发。PLC的主程序主要有如下程序构成：系统初始化程序，电机启动程序，模拟量采集程序，变频控制程序，故障处理程序，报警程序。其中模拟量采集程序实现风压、振动、温度、瓦斯浓度的信号采集和信号转换等功能。主程序的流程图如图2所示。
上位机监控软件采用Wonderware公司的开发的组态软件Intouch，通过监控软件完成功能块之间的连接，实现风机系统的集中监控管理。在运行过程中，实时监测风机的运行状况，实现对风机的画面显示、曲线绘制、数据管理、事故报警、打印等功能。同时考虑到系统的安全性，可采用账号管理机制，限制不同人员的访问权限。
4、结语
由PLC、变频器、上位机监控等组成的矿井通风机监测控制系统是矿井综合自动化监控系统的一个重要组成部分。在实现向井下输送新鲜空气，维持正常生产，保障安全作业和人员身体健康等方面，起着重要的作用。系统主要通过瓦斯传感器和风压传感器监测工作面的瓦斯浓度和风量大小，进而由PLC调节变频器来控制风机的送风量的大小。PLC和变频器的综合应用使风机始终保持在高效、经济的运行状态，降低了瓦斯事故发生率。同时上位机监控系统具有很强的实时监测和故障诊断能力，对电机的各个运行参数有很好的监控，提高了系统的工作效率、数据精度与可靠性。本文介绍的基于PLC和变频器的煤矿风机自动监测控制系统已经在淮南某矿成功应用，现场运行情况良好，具有较大的推广及应用价值。该系统的应用，将使通风机系统更加安全可靠，必将为企业创造更大的经济和社会效益。
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