孙云龙
（山西乡宁焦煤集团神角煤业有限公司 山西省临汾市 042100）
通风除尘装置在矿山生产过程中有着极为关键的地位，正式生产时主扇风机通电运作，不断向井下供给新鲜空气，以保持井下氧气充足，同时抽取掘进面、工作面等处产生的粉尘、炮烟送至地面，避免有毒有害气体过度堆积，造成休克、缺氧等安全事故。由于通风除尘装置重要性显著，因此设计、运行环节必须保障可靠性和稳定性，相关设备一旦出现长时间故障停运，就可能造成有害气体浓度上升，井下氧气不足，甚至是瓦斯聚集爆炸等问题，严重影响矿山的正常生产。纵观现有矿井通风装置，会发现很多仍旧存在系统结构简单、监测能力欠缺的情况，采集的数据精确性不佳，自动化调节监控滞后，很难满足现实生产需求。
近年来我国经济增速放缓、科技产业发展，以自动化、智能化为方向的研究成果涌现出来，为该种矛盾的缓和提供了不少可行思路，其中孙建兵[1]以总线挂接式结构为基础，引入CAN总线通信方式，在传感器、总控台之间建立连接，实现了实时化通信和监测数据收集，光纤通信的应用使得误码率明显降低；
郭建[2]则基于无线WiFi环境开发智能监控系统，融合PLC进行抗干扰处理，外围电路、温控程序等一应俱全，可以为制动调控提供帮助；
Bi QiuPing等[3]重点关注了自动化控制算法设计问题，借助R型聚类、变异系数法等，确定了通风评价的系统性指标体系。本文综合已有研究成果，引入PLC技术对矿井通风监控系统进行优化改造，从装置选型、电路配备、软硬件设计、交互界面设计等方面阐明思路，整个过程更加具体和全面。
2.1 结构框架设计
梳理系统框架时，需要紧密围绕实际需求开展，对于矿井生产活动来说，需要监测的对象是十分多样的，比如风压风速、有害气体、风机运行状态等，因此结构前端应当设置专门的传感器模块，数据采集完成后，由下位机负责接收并作出相应的指令，发送至变频器板块实现闭环控制。本次设计中下位机嵌入PLC S7-300系列，可以较好地应对差异化应用需求，另外配备上位机，设置2台单独运行计算机，可以基于WinCC软件开展组态交互，实现对下位机的监控，整个系统由专项供配电模块负责能源供应，可以最大限度保障矿井运行生产安全性。
2.2 主通风机选型
主通风机在整个系统中具有核心性地位，现阶段常用的主要有离心式、轴流式两种，前者由主轴、进气室、叶轮[4]等结构组成，通电运行环节叶轮高速运转，将风流汇聚至螺旋外壳，后期压力逐渐提升，扩散器运作实现气体排放。这种风机的特性曲线较为平稳，在风量阻力变化较小的矿井中较为适用，但调节操作较为繁琐。后者结构较为紧凑，通常只有变流器、扩散器等5个部分，风流在导叶作用下发生方向上的改变，经过扩散筒时流速进一步降低，实现动能向静压能的转换，完成风流的排出。
2.3 供配电设置
矿井通风除尘及监控系统设计过程中，需要重点关注供配电可靠性，对于高压供电系统来说，可以配备高压开关柜，借助自动分闸功能防止高压设备损坏，保障手动控制能效，其中主通风机房作为核心，设定为一级负荷单位，直接由110kV变电所供电，采用双回路进线方式。综合实际需求后，选定高压开关断路器型号，额定电压统一为12kV，可以在RS-485串口模块帮助下，与下位机实现连接，实时接收PLC模块指令信号，完成特定场景下的合闸、分闸控制。另外设置切换柜，当矿井通风及监控系统正常运作时，主开关进入接通状态，1、2号及3、4电机对应启动。当切换柜进入备用状态，旁路开关联通并带动电机运行，实现系统备用功能。为保障矿井通风及监控系统稳定、高效运行，细节上也进行了优化，设置了直流屏和不间断电源UPS，能够将交流电转换为更加稳定的直流电，板块采用RS-485通讯协议，可以与PLC下位机实时通讯。
2.4 变频器选型
为满足矿井风量调节需求，提升除尘、通风操作的适宜性，矿井装置配备环节，通常会留出一定裕量，以保障新鲜空气供应充足，但传统模式中自动化控制水平较低，出现调节需求时，只能通过手动改变风门、蝶阀状态来实现，虽然操作难度较低，但频繁的调节容易带来磨损，为构件故障埋下隐患，电能消耗量也会相应增大。现阶段我国科技产业迅猛发展、市场格局升级改造，生态理念、环保理念愈发深入人心，变频器技术也由此获得极大进步，在矿井通风除尘装置中引入变频器，不仅可以提升风量控制灵活性，还可以实现节能降耗，保障成本配置合理性。本次设计中引入PH-10-6-1000罗宾康变频器，内部嵌入变压器、控制模块等，可以实现0～100%的转速调节，装置本身的适应能力较强，可以抵御大部分的电压波动问题，即使电压降幅达到45%，装置仍可持续运行。在远程通信方面，引入了PROIBUS DP协议，不同类型数据对应不同DB块，能够完成对PLC指令的接收和解译。
2.5 PLC硬件配置
选择PLC可编程控制器时，需要预先明确矿井监测系统功能需求，在此基础上采用针对性思路考察各硬件性能，提升设计适配性。从案例矿井生产实践来看，待实现功能主要包含以下几点：
（1）远程启停及调速功能，需要结合井下环境状态、变化趋势等，对主扇风机下发启停指令，并做好转速调节和控制，保障运行经济性、安全性。
（2）接收和分析相关参数，包含电机绕组参数、风机风量、风压参数，以及各项电气参数等，确保系统供电电压、运行效率处于正常状态，将电信号实时转化为可识别数值信号，方便人机交互模块生成运行曲线、报表等。
（3）主要保护功能，由于矿井生产环境较为复杂，控制协调不当容易发生瓦斯聚集、有毒有害气体充斥等问题，因此主扇风机必须保持不间断运转，PLC模块需要对风机、电机轴承温度等进行识别告警，紧急状态下还要自动停车。
基于此，在系统不同板块中装设了不同规格、不同性能的PLC模块，其中2台下位机采用315-2DP型号PLC，可以对接存储数据信号，开展运行处理和语法检查；
变频器通讯模块中，采用PROIBUS DP协议，对应配备CP342-5型号的PLC模块，对系统接口进行扩展，保障通讯顺畅度。处于布线简洁性考虑，上位机、下位机通信设计环节，主要采用了以太网通讯方式，搭配S7-300型号PLC模块[5]，分担315-2DP通讯压力的同时，提升了系统扩展性。
3.1 监测参数梳理
基于PLC技术开展矿井通风监控系统设计时，主要采用了数字化、智能化思路，下位机、传感器负责接收各节点参数，在工控机的处理下反馈指令，并通过PLC模块完成远程控制，因此逻辑编程环节，要着重梳理需要监测的参数指标，为远程控制、故障报警等功能的实现奠定基础。监测对象可分为两个方面，一方面是井下环境，参数包含风速风压、有害气体含量、瓦斯浓度等；
另一方面则是主风机等核心设备的运行状态，这里简单阐述几个核心指标的计算方法。
（1）振动参数信号检测，振动是主通风机运作过程中的常见现象，剧烈振动多由转子不平衡等引发，轴承等构件在长时间的振动、磨损中很容易发生故障，因此在前后轴承上安装传感器，型号为TMS-HZD，外部与PLC、DC模块连接，可以在电感应原理支持下，完成信号的变送，感应电动势为U=B·L·v，其中B代表磁感应强度，L代表磁场中线圈有效长度，v代表运动速度。
（2）温度参数信号检测，对象主要为电机定子、风机轴承等，当风机超负荷、超时长运作时，这些部件最容易烧坏，为保障稳定性，选用PT100铂热电阻传感器进行数据采集，铂材质本身的物化性质比较稳定，检测精度、效率更高，当电阻温度为0℃时，传回电阻值为100Ω，若温度上升至100℃，电阻值会对应提升到138.5Ω左右，方便工控机判定。
（3）风量参数信号检测，考虑到矿井作业环境较为特殊，风机运作环节中流场不均匀性、波动性较为鲜明，面对同一测量截面时，可能需要多点布设传感器，检测时间长且任务强度重，测点准确性也很难保障，所以本次设计中，引入分体式组合动压管策略，运算时同样需要先行获得平均速度、风机静压等参数，多点测量求加权平均值，公式为
3.2 数据采集功能设计
对下位机PLC系统进行逻辑编程时，可用的表达方式是比较多样的，梯形图、指令表等均是常见种类，考虑到矿井通风除尘装置运行环境较为复杂，数据采集和监测工作量较大，因此选用简洁性较好的梯形图编制方式，使用STEP7平台绘制流程。对PLC监控任务进行拆分细化，防止功能重复、算法冗余带来的效率问题，梳理后将核心任务层分为5个部分，其中FC1、FC2负责数据采集，分别面向变频器、传感器开展工作，FC3、FC4以及FC5负责逻辑控制，分别对应高压开关柜控制、主通风机控制和报警控制。FC1、FC2模块设计实现环节，要重点关注I/O接口的分配问题，基于此引进SM321、SM322和SM323模块负责数字量输入和输出，分别接管变频正转运行反馈、变频就绪反馈、变频故障反馈等，输出端则接管变频停止、变频启动、蝶阀开到位指示等内容。
3.3 远程控制功能设计
借助STEP7平台进行编程设计，当技术人员通过上位机发出开始指令，下位机会自行接收信号，并开展初始化处理和自检，待到所有工作准备完毕后，选择适宜的工作方式。若采用自动控制方式，下位机会自动根据实际情况决定启动对象，可以提前设置默认风机，假设默认1号风机，那么下位机还会判定二号蝶阀启闭状态，确认关闭后开启1号蝶阀，以防出现风流短路问题。同时确定风机运行方式，根据单机、双机需求调节变频器。FC3控制模块中，主要设置了连锁控制程序，采用双回路供电，可以确保变频器安全性；
FC5模块中，主要梳理和优化了报警模块，可以根据需求提前设置矿井风量阈限、毒害气体浓度阈限等，最大限度保障系统运行稳定性。FC4控制模块中，主要控制对象为主通风机，编写环节主要把握以下几个要点：
（1）蝶阀控制逻辑，蝶阀具有结构简单、调节操作便捷的特征，在矿井通风系统中极为重要和关键，风机运行环节要特别注意风流短路问题，通过PLC逻辑设定联锁算法规避潜在风险。此外，若风机在蝶阀未完全开启的情况下运行，很有可能导致压力集中、过载问题，影响蝶阀的使用寿命，因此逻辑设计时加入了额外的限制条件，配合S5延时器控制蝶阀，以实现瞬时导通和延时关断。
（2）变频器控制逻辑，优化环节主要防范变频器同时投切问题，这种投切很可能导致电机过载，因此加入延时接通模块，方便主备用切换操作。矿井生产过程中对通风系统稳定性要求较高，所以部分矿井还会安排定期检修活动，此时就对变频器单动联动控制性能提出了较高要求，本次设计中规定，当1#、2#变频器均处于关停状态，且满足上位机远程手动操作标准时，可以进入单动运作。
（3）风机故障切换，主通风机在矿井安全生产中重要性显著，长时间的故障停运可能导致井下缺氧、瓦斯聚集等情况，所以PLC逻辑编程环节，还需要设置故障切换功能，若故障发生、且短时间内无法自动修复，那么下位机会自动检测备用风机状态，经过延时后完成切换。
（4）风量自适应调节，自适应调节是新型控制监测系统的重要功能，可以在保障安全的同时，显著降低能耗。旧有模式中对自适应调节的精确性控制不佳，很容易出现限值过高、过低的情况，诱发通风不良或电能浪费问题，而PLC技术的出现较好地解决了这一困境，运行环节应当先计算实际需求风量，对各工作面、巷道等需风量总和进行判断[7]，并比较实时数据与理论需求量的大小，根据比较结果自动调节，保障系统经济性、实用性能。
3.4 故障报警设计
PLC技术及远程通信技术的引入改变了传统模式下，通风控制响应缓慢、准确度低的情况，内置的自调节算法还能对异常隐患进行识别和调节，最大限度保障系统运行可靠性。但受到井下运行环境、运行时长等因素的影响，系统故障停机隐患无法完全排除，一旦遇到自动复位失败的状况，系统可靠性、稳定性就会大幅降低。因此设计环节还增加了报警组态模块，可以对变量参数情况进行检测，如果超出正常阈值即发出告警信息，以文本消息提示可能的故障类型，为后期的检修排查工作奠定基础。报警功能由指定模块承担，模块与内部数据库对接，可以实时提取额定参数值、历史参数值等，运行过程中可以基于实时数据进行对比分析，并判断是否出现超限值状况，如果判定为异常则借助延时置位开关发出告警，提示现场人员注意。主通风机系统中，故障检测对象较为多样，包含高压供电系统故障、变频器故障等，可以通过消音、复位等操作结束警报。注意参数阈限的设置务必要符合使用需求，以案例二号电机为例，本次设计中将后轴承温度上限设定为90℃，超过这一上限风机会承受较为严重的负面影响，因此逼近、超过上限值后，系统会自动告警并弹出提示信息，最大限度保障矿井监测、检修响应速度，其他参数上限参考值可见表1。
表1：矿井通风除尘装置参数报警上限节选
4.1 上位机界面设计
上位机是监控功能集成、整合的重要平台和通道，本次实践中主要借助WinCC组态软件开展设计，所搭建的HMI界面中，主要包含用户登录模块、风机监控模块、供电系统监控模块、运行参数报表、曲线转换模块、报警记录模块等。所有界面设计过程均在WinCC Explorer平台完成，灵活运用“图形编辑器”“标准板”等选项简化操作。用户登录模块采用账号密码管理方式，管理员负责所有账号的创建、保管，点击“添加用户”按钮，并设定角色、权限即可新增账号，出于安全性考虑还可以限制单次操作时长，定点强制退出。为方便操作生成了专门的登录按钮，语言脚本为：
出于操作便捷性考虑，画面设计时还增添了切换功能，风机监控、供电系统参数等模块按钮统一放置在界面底部，可以根据需求自行点击跳转。对于上位机来说，参数显示与分析功能最为关键，设计环节，将输入输出与变量对应关联，同时更改更新方式，保障参数变化情况的实时同步。变量设置环节要兼顾内部、外部两种变量，前者主要包含属性名称、数据类型等，可以为画面调用、地址引用提供支撑；
后者则用于PLC外接通讯，包含数据名称、类型等，考虑到矿井通风除尘系统自动化运行进程较为复杂，PLC逻辑编程时，逐一定义的工作量较大，很容易发生错漏问题，因此可以借助SIMATIC WinCC Configuration Tool辅助建立变量，以提高PLC编程效率。
4.2 通信模块设计
矿井生产环境相对特殊，信号传输过程中容易受到电磁、地层等多重因素干扰，上位机、下位机通信模块设计时，不仅要考虑速度、稳定性，更要兼顾丢包率、兼容性等问题，基于此，本次设计引入工业以太网，搭配TCP/IP协议完成通讯。用该种通信架构代替CAN总线模式，可以减少现场环境对线路布局的限制，资源共享、传输能力也明显提升，当下位机有通信需求时，无需借助专用CP1613网卡完成，而是直接通过以太网卡即可交换数据，成本更加低廉，PLC调试编程也更加便捷。本次设计主要嵌入了CP343-1 Lean模块，可以在计算机中自行设置IP地址、子网掩码等，以增强网络安全性。
4.3 系统功能测试
完成通风装置及PLC监控系统设计后，对整体架构的运行情况进行运行测试，启停与切换测试环节，将风机风窗全部打开，主通风机进入空载状态，以上位机平台为依托，切换至手动控制状态，发现所有启停操作可以控制在1min以内，主备切换动作也仅有3min左右。切换到自动状态后，变频器故障切换、风机一键启动总计用时不超过1min，主备风机切换也仅有2min。
矿井通风除尘装置及监控系统设计完毕后，开展了实地运行测验，案例矿井每年产量150万吨，开拓系统以主井为核心，分布1#副井、2#副井，通道中风量约为220m3/s，主风机运作环节，地面新鲜空气从两副井送入，经过运输巷、穿脉巷后，到达人行通风天井和掘进面，最后从回风井排出。
综上所述，本文设计和实现了一种基于PLC模块的矿井通风监控系统，选用FBCDZN034/2×800主通风机，搭配PH-10-6-1000罗宾康变频器、高精度振动传感器、温度传感器等，能够较好地实现井下瓦斯浓度、设备状态监测，同时实现远程一键启停、蝶阀控制、故障报警等功能。在此基础上引入WinCC组态软件辅助完成上位机界面设计，仅测试运行响应速度良好，能够满足矿井通风除尘系统稳定性、安全性需求。经过实际投产运行，每年可节省电量110万千瓦时，矿井营收能力、设备管理能力都得到显著提高，实践环节可以适当借鉴该种设计思路，根据实际需求完善和更改PLC编程逻辑，增强系统灵活性、适用性。
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