论文部分内容阅读
摘 要：煤矿生产在能源开发中占有重要的地位，同时为了使生产过程的安全和生产效率得到有效保障，对自动化技术的运用越来越重视，其中PLC机电一体化集控技术针对目前煤矿设备运行的现状，有效的解决了传统设备中存在的控制精度差、自动化程度低等问题，在开拓掘进、运输提升、通风抽采、给排水等煤矿安全生产、综合运行、机电一体化数控技术等设备的具体应用中，充分发挥了其应用优势。陕西彬长小庄矿主通风机PLC升级改造，以实例展示了PLC集控技术的优势和发展方向。先进的控制技术使生产工艺得到改进，管理环节得以简化，为煤矿行业的智能化发展起到了推动和促进作用。本文就其应用进行了分析和探讨。
关键词：PLC;机电一体化;小庄矿主通风机;改造;无人值守
引言：现代化工业生产离不开先进的科学技术支持，需要利用先进技术为持续发展提供良好的保障和助力。在煤矿设备中通过PLC机电一体化技术的应用，使原本开发精度低、开采方式落后的煤炭行业得到了长足的进步，大型机电设备的应用得到精准控制，自动化程度和可靠性提升，降低了复杂环境下的开采难度，人工的作业强度和压力得到缓解，煤矿专业化生产水平得到提高。
一、概述
PLC是一种可编程逻辑控制器，主要由存储器中央处理器功能模块、电源通信模块、输入输出接口电路构成其硬件结构。采用逻辑图、梯形图等简单的编辑程序实现高性能、高质量、高科技、高效率的可编辑控制技术，其技术是可对复杂的运作程序予以简化。另外通过多学科的交叉融合形成了机电一体化技术，其中包括机械技术和电气自动控制多个学科，通过在煤矿设备中的应用，煤矿生产需要供电、提升、通风、排水、采掘、运输、洗选等多个专业环节既相互配合联动，又相互影响制约下共同完成，并具有较强复杂性的生产过程。在煤矿生产中自动化水平随着电子控制系统的技术支持，使煤矿复杂作业生产进程加快，生产效率大幅提升。在未来行业的发展趋势影响下，需要改变以往液压技术和借助简单机械完成生产目标的方式，原胶带运输机普通防爆电机配合减速机或CST等，现已发展到永磁电机驱动配合变频器控制，极大的简化了装备动力传递过程，较少了配套设备，降低了设备故障率，通过机电一体化技术的应用，使煤矿企业生产效率有效得到提升，使企业的经济效益不断提高。
二、工作原理
PLC技术的工作原理主要基于存储功能、控制功能、输入输出功能、运算功能等进行的。
2.1 运用首要环节
在机电设备控制系统中，首先通过输入采样的环节，系统对采集的数据按照工作程序进行分析和逻辑计算，所以机电控制系统的控制效率由PLC的输入采样决定。系统通过对输入的采样数据进行扫描，并输入到相应的存储器里，然后再通过處理程序对数据进行处理，因此机电控制系统的首要环节就是输入采样数据。
2.2 运用基本环节
PLC技术在进行逻辑编程时，将参考所采集的数据，扫描相关程序后，将扫描结果传送到计算机中，输入的采样数据和扫描结果都不会发生改变，否则将对PLC机电控制系统的整体运作造成影响，还可能造成安全问题和一系列工作问题。系统会对所获得的数据进行逻辑计算和分析，得出的结果用于对系统自动化机械设备的控制。
三、煤矿自动化集控设备的应用现状及展望
从煤矿行业发展来看，机械智能化、自动化、一体化、PLC控制技术的应用较晚，但在快速发展的过程中存在着许多不足，煤矿设备的智能化自动化水平较低，升级改造配套难度大，人员技术跟不上装备技术发展更新换代，有数据显示煤矿应用新技术每发展更新2.5-3代，煤矿多数人员技术更新1代，且关键技术仅掌握在极个别少数人手中，导致对设备的维护管理手段缺乏，问题判断不准确，故障排查难度大，设备的使用寿命缩短，企业成本增加。其主要原因是对先进技术缺乏深入、科学的研究和技术普及，目前的设备水平还未能达到标准化精细化运行和生产的要求，为了对煤矿行业的发展予以保障，新技术的应用势在必行大量技术人才队伍的建设成为关键，要对现有的机械化生产水平进行优化和调整，促进煤矿生产的良性可持续发展起到促进作用。
3.1 煤矿机电自动化集控的应用现状
煤矿机电自动化集控技术能够将传统技术与现行先进技术进行有机结合，通过现代煤矿机电自动化集控技术的应用，可以在很大程度上将传统煤矿机电自动化集控技术当中存在的不足之处进行弥补与完善。这样各个系统设备设施的工作质量与工作效率将会得到提升。煤矿机电自动化集控的实际应用中，目前现状如下：
3.1.1 自动化集控理论研究工作有待完善。从目前许多煤矿企业的发展中不难看出，企业开始对机电自动化集控技术的理论内容进行研究，并且对机电自动化集控技术进行创新，并且将其应用到实际机电设备应用中。只有对其理论知识内容熟练掌握，才能明确其中的技术、性能、优势及发展方向等。从而将机电自动化集控技术优势充分发挥，为煤矿行业各项工作提供便利与保障。除此之外，还能对各项资源进行有效整合控制，实现煤矿企业的优质、高效、可持续发展。
3.1.2 前沿、先进、成熟的机电自动化集控技术有待引进。虽然机电自动化集控技术已经被应用在煤矿企业工作中，并且取得一定成效，但是仍然与理想效果存在很大差异。其中的先进技术有待引进，通过先进技术的应用，可以将机电自动化集控的优势与作用充分发挥，为煤矿企业各项工作的有序进行提供保障。
3.2 煤矿机电自动化集控展望
随着我国科学技术的不断进步，使得我国各大煤矿逐渐实现机电设备设施自动化与生产机械化，煤矿生产效率与生产质量得到不断提升，煤炭的产量也在逐年增加，为我国的能源利用和经济更好发展提供更多动力和保障。煤矿井下机电自动化集控技术最为显著的优势就是，能够降低工作人员的工作强度，使得每个工作人员的人身安全得到保障，为煤矿企业创造更多利润。但是因为我国机电自动化集控研究相较于西方国家而言起步较晚，与其之间仍然存在一定的差距。集中控制技术是机电自动化设备自动化当中的重要组成部分，为使得机电自动化集控技术能够更好发展，在未来可以充分发挥自身的价值与作用。可以从以下两点提升自身性能： 3.2.1 加强对综采技术的研究，加大具有自主知识产权配套设置的研发与应用。这样煤矿的开发能力才能得到很大提升，同时使得煤矿开采工艺得到优化与完善，核心技术亦不致受制于国外企业。
3.2.2 不断提升通信水平，保证各项数据信息的真实性、准确性与及时性。针对具有价值的信息内容展开深入研究工作，基于此，可以加强对微处理器自动综采设备以及运输设备的研究，这也是机电自动化集控未来发展的主要方向。
四、PLC集控技术在小庄矿的应用及升级改造实践
小庄矿业有限公司风井采用两台同等能力FBCDZ-10-№38/2×1000kW型矿用防爆对旋轴流式通风机，一用一备。每台通风机各配2台YBF-10-1000kW型防爆变频式电动机。矿用防爆对旋式通风机，监控系统采用两套AB 1769 CompactLogix系统，通讯总线采用DeviceNet。系统通过PLC自带的以太网通讯接口，实现风井主通风机房与调度集控中心的通信连接，采集主通风机PLC系统各运行参数及状态，通过在集控中心增加客户机，实现主通风机房监控系统在矿区集控中心的远程监控。
4.1 主通风机PLC控制系统改造前原系统存在的问题
4.1.1主通风PLC系统功能
4.1.1.1 控制功能
风机的启动、停止、反风、风门启闭控制等控制功能;可对变频器进行实时启停控制。
4.1.1.2 监测功能
实时监测通风机（设备）性能参数：矿井负压、动压、流量、效率等;具有风机运行实时曲线显示功能;实时监测风机配用电机的电气参数：电流、电压、功率等;实时监测设备的状态参数：振动烈度、定子及轴承温度等。
4.1.1.3 信息处理功能
人机界面简单直观、形象，操作简单、易懂;具有丰富的工况画面，界面友好，图表功能强大，操作快捷方便;数据实时（历史）显示（趋势图、曲线图等）、存储、查询、打印以及远程传输;对通风机运行故障（温度、振动等）在线报警及保护;显示当前运行机号、电机转速、正反转信号，风机开停状态;累计当前风机运行时间等;在模拟动画图上实现监测参数的实时显示，将监测参数存储到数据库中，可以以数据曲线和趋势图等多种方式实现监测结果的再现，实现小时、日等多种形式时间间隔的数据查询及查询结果以报表形式打印。
4.1.2 原系统存在问题及故障状态
原主扇风机PLC控制系统中高压风机的启停控制和风机速度给定均通过PLC的硬接线控制（启停通过DO信号，速度给定通过AO信号），当发生故障时，高压变频侧会报模拟量信号故障，而且同时运行的其他变频器会报相同故障，造成高压风机速度失去控制，PLC端的报警信号没有日志记录。
系统存在的主要问题如下：
4.1.2.1 DeviceNet通讯异常，通讯时通时断;
4.1.2.2 系统整体架构采用软冗余方式，逻辑关系复杂，系统中逻辑主备风机设备与实际物理主备风机设备对应关系不严谨，导致一台设备通讯故障会影响另一台设备工作;
4.1.2.3 采用单电源供电方式，大大提高了系统运行风险，如果电源出现故障，会使数据采集，通讯系统和控制指令整体失效，数据丢失;
4.1.2.4 系统设计未充分考虑模拟量信号隔离，容易造成信号干扰和扰动，使系统存在安全隐患和风险，影响系统运行的可靠稳定性。
4.2 主通风机控制系统改造
小庄矿主通风机控制系统为AB公司 1769 CompactLogix系统，通讯总线采用Devicenet，用软件方式实现双CPU热备功能，存在系统配置繁琐、冗余通讯不稳定和软冗余控制逻辑复杂、维护难的弊端，经常导致系统控制失效，不能正常运行。通过原故障分析和总结，改造主要从PLC基础通讯协议、系统架构、冗余电源管理和信号隔离四个方面入手，解决了系统存在的问题，并优化系统控制方案，为安全生产提供有力保障，并为将来主通风机房彻底无人值守提供有力支撑，并奠定基础。
4.2.1 改造技术关键点
4.2.1.1 通讯协议
改变原有控制系统采用DeviceNet通讯协议，DeviceNet是基于CAN Bus总线通讯协议为基础的现场总线标准，它的特点是面向复杂网络的低成本总线标准，适合仪器仪表设备，协议相对封闭。协议封闭对系统而言，不易扩容，不易维护，系统一旦出现故障，检修和消除故障的技术门槛非常高。
采用ModBus通讯网关方式，设置MicroLogix 1100负责与ARJC通风机微机监测系统同ModBus通讯，并将采集到的数据通过Erthernet/IP传输到主控PLC中。
ModBus通讯协议是基于RS485串行通讯协议的总线标准，通讯协议简单容易开发，而且开放性和透明度非常高，可类比现在手机应用主流系统Android开放性系统与IOS封闭式系统，支持的设备厂家非常多。对于用户而言，可以大大降低后续系统扩容或改造的成本，对系统运行维护人员专业技能要求较低，可以降低系统运行维护风险及成本。
所以，本次改造采用ModBus通讯协议。
4.2.1.2 供电方式
控制系统的直流电源采用1+1冗余配置，保证系统安全可靠运行。
4.2.1.3 信号隔离
所有模拟量AI/AO信号采用隔离栅隔离，最大限度避免信号干扰和扰动，提高系统整体抗干扰能力，减少各子控制系统对PLC主控制系统的冲击。即使系统存在安全隐患和风险，影响系统的可靠稳定运行的概率下降90%以上。
4.2.2 改造方案
4.2.2.1 采用双CompactLogix 1769控制，将两套风机的所有IO点重新规划，分别接入各自的PLC中，即1#和2#风机的所有IO控制点均接入1#PLC控制站，3#和4#风机的所有IO控制点均接入2#PLC控制站，两套PLC控制相互独立，即使一台PLC停机，也不影響另外一套风机系统的正常运行;安全连锁信号通过PLC间硬接线实现，增强系统安全性。如图1所示。 图1 系统改造方案拓扑图
4.2.2.2 模拟量输入和输出增加信号隔离器，防止信号干扰，同时可实现PLC模块硬件保护。
4.2.2.3 控制系统的直流电源采用1+1冗余配置，当任何一块直流电源出现故障，确保不影响系统安全可靠运行。电源模块更换率由3年延长到5～8年。
4.2.2.4 采用ModBus网关PLC同ARJC通风机微机监测系统进行ModBus通讯，并将相关数据通过以太网同两套风机控制PLC进行共享。
4.2.2.5 完善通讯报警功能，以图形方式显示ModBus、Erthernet/IP和关键设备的运行及通讯状态，如图2所示。
4.2.3改造方案的实施
2019年3月15日，方案设计完成并进入实施阶段，2019年3月16日开始，在确保不停产的情况下，在现场边生产边改造，于2019年3月24日顺利圆满完成系统改造任务。系统进入试运行阶段至今，主通风机系统运行正常，主备风机切换正常，就地控制正常，集控中心监控正常。系统改造达到预期效果，系统运行安全可靠性得到提升。
4.2.4 改造方案实施效果
4.2.4.1 系统可靠性提升
高压变频系统与PLC控制系统有各自独立的信号配电系统，高压变频器会产生很强烈的高、低频干绕信号和谐波信号，增加信号隔离器，通过光感或磁感器件进行隔离转换，然后再进行解调变换回隔离前原信号或不同信号，同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理，保证变换后的信号、电源、地址间绝对独立，有效抑制控制信号的干扰问题。
实例测试数据说明，改造前，系统没有隔离器，实时电流信号有干扰，而改造后，增加了信号隔离器，电机运行电流曲线明显平滑，得到改善，大大增强了系统的可靠性和稳定性。
4.2.4.2 系统运行维护风险大大降低
改造前，原有PLC控制系统故障时，风机只能切换到设备就地运行，然后PLC停机解决故障问题，平均故障处理时间约为24个小时以上（需要工程师现场指导、技术服务支持），在整个故障处理过程中风机处于无监控状态，运行风险很高。
改造后，当一套风机PLC控制系统出现故障，另外一套风机PLC控制系统可在4-5分钟以内正常启动并实现有生产数据均在线监控;同时故障PLC控制系统在维修时，不影响风机控制系統在线运行。
4.3小庄矿主通风机深度改造展望
通过此次改造给PLC主控制系统下增加了双冗余电源、1+1隔离器模块及端子，给PLC主控制系统增加了一道安全防火墙，又通过光电模块使得控制两台主扇的系统能够相互协作，开通双通道相互热备协作，增加了故障自动诊断系统，对故障分析判断、明确提示，提高了排除效率，大大提高了通风安全可靠性。在此基础上可对控制系统再深度改造，对主通风机稀油润滑站和各风门等加装执行私服系统及感应器，在PCL主控制系统控制下即使一台主通风机故障停机，若无人工干涉，主控系统会在设定的时间内按照设定参数曲线开启备用通风机，并自动设定加载频率调节风量，且有效躲避掉可能引起机体共振的工控频率，彻底实现无人值守，有人巡检的全自动化。
五、煤矿PLC机电一体化集控技术应用效益分析
5.1 提高自动化程度
在煤矿生产过程中，提高设备的自动化程度，能够使采煤的生产效率，劳动生产成本得以降低，同时对采矿过程中因失误所导致的不必要损失有效予以控制和减少。目前在较多煤矿作业中通过，液压支架电液控制系统，以及微电脑控制的综合采掘设备，可实现煤矿作业的全自动化无人操作以及远程操控等功能，同时工作效率大幅度提升。
5.2 节约能源
随着PLC的机电一体化技术的运用，煤矿设备的自动化程度大幅度提升，采煤的生产量大幅度提高，企业人员劳动成本降低，通过自动化采煤设备的运用，如提升机微电脑控制系统，胶带输送机等可采用永磁电机配套变频控制系统，根据负荷精确用电，减少设备运转能耗，不仅使生产效率大幅度提升，同时还实现能源节约，使煤矿企业的经济效益得到提升。
5.3 实现自诊故障、在线控制及报警功能
通过此技术的应用，在PLC系统控制下使煤矿各系统设备的在线监控功能得以实现。传动系统，液压装置系统电动机工况行程等实现了对运行状态的实时监控，在实现远程操控的同时，还能使设备进行自检和报警自动作，使生产过程中故障排除的时间和检修时间大幅缩减，设备的维修检测费用降低，同时设备的使用寿命得以延长。另外，煤矿设备通过在线监控功能，还能进一步实现智能化和人性化。根据矿井的实际采矿环境对煤矿设备的传动比例和负荷进行灵活调节，对生产中的能耗经济性提高，保障设备的安全性和稳定性。
六、结语
通过小庄矿主通风机PLC控制系统改造所取得的实效，主通风机房减少了巡视频次，降低了安全生产风险，提高了“自动化管控”水平，为下一步主通风机房“无人值守”提供有力保障。系统的通讯稳定性、供电安全性和架构可靠性等方面都得到了显著提升，并且通过“自动化管控”达到减人增效的目的，给企业带来可观的经济效益和社会效益。
再次证明，在煤矿企业的发展中，需要意识到机电自动化集控的重要作用。针对机电自动化集控的优势与价值需要充分掌握并研究，这样才能充分发挥机电自动化集控的价值。保证各项煤矿开采工作、煤炭运输工作的顺利展开。与此同时，通过将机电自动化集控应用在煤矿企业各个工作中，减少工作人员的工作量，在最大程度上保证各项工作的安全。只有这样才能实现煤矿企业的更好发展，同时增强煤矿企业在社会市场当中的竞争地位。
关键词：PLC;机电一体化;小庄矿主通风机;改造;无人值守
引言：现代化工业生产离不开先进的科学技术支持，需要利用先进技术为持续发展提供良好的保障和助力。在煤矿设备中通过PLC机电一体化技术的应用，使原本开发精度低、开采方式落后的煤炭行业得到了长足的进步，大型机电设备的应用得到精准控制，自动化程度和可靠性提升，降低了复杂环境下的开采难度，人工的作业强度和压力得到缓解，煤矿专业化生产水平得到提高。
一、概述
PLC是一种可编程逻辑控制器，主要由存储器中央处理器功能模块、电源通信模块、输入输出接口电路构成其硬件结构。采用逻辑图、梯形图等简单的编辑程序实现高性能、高质量、高科技、高效率的可编辑控制技术，其技术是可对复杂的运作程序予以简化。另外通过多学科的交叉融合形成了机电一体化技术，其中包括机械技术和电气自动控制多个学科，通过在煤矿设备中的应用，煤矿生产需要供电、提升、通风、排水、采掘、运输、洗选等多个专业环节既相互配合联动，又相互影响制约下共同完成，并具有较强复杂性的生产过程。在煤矿生产中自动化水平随着电子控制系统的技术支持，使煤矿复杂作业生产进程加快，生产效率大幅提升。在未来行业的发展趋势影响下，需要改变以往液压技术和借助简单机械完成生产目标的方式，原胶带运输机普通防爆电机配合减速机或CST等，现已发展到永磁电机驱动配合变频器控制，极大的简化了装备动力传递过程，较少了配套设备，降低了设备故障率，通过机电一体化技术的应用，使煤矿企业生产效率有效得到提升，使企业的经济效益不断提高。
二、工作原理
PLC技术的工作原理主要基于存储功能、控制功能、输入输出功能、运算功能等进行的。
2.1 运用首要环节
在机电设备控制系统中，首先通过输入采样的环节，系统对采集的数据按照工作程序进行分析和逻辑计算，所以机电控制系统的控制效率由PLC的输入采样决定。系统通过对输入的采样数据进行扫描，并输入到相应的存储器里，然后再通过處理程序对数据进行处理，因此机电控制系统的首要环节就是输入采样数据。
2.2 运用基本环节
PLC技术在进行逻辑编程时，将参考所采集的数据，扫描相关程序后，将扫描结果传送到计算机中，输入的采样数据和扫描结果都不会发生改变，否则将对PLC机电控制系统的整体运作造成影响，还可能造成安全问题和一系列工作问题。系统会对所获得的数据进行逻辑计算和分析，得出的结果用于对系统自动化机械设备的控制。
三、煤矿自动化集控设备的应用现状及展望
从煤矿行业发展来看，机械智能化、自动化、一体化、PLC控制技术的应用较晚，但在快速发展的过程中存在着许多不足，煤矿设备的智能化自动化水平较低，升级改造配套难度大，人员技术跟不上装备技术发展更新换代，有数据显示煤矿应用新技术每发展更新2.5-3代，煤矿多数人员技术更新1代，且关键技术仅掌握在极个别少数人手中，导致对设备的维护管理手段缺乏，问题判断不准确，故障排查难度大，设备的使用寿命缩短，企业成本增加。其主要原因是对先进技术缺乏深入、科学的研究和技术普及，目前的设备水平还未能达到标准化精细化运行和生产的要求，为了对煤矿行业的发展予以保障，新技术的应用势在必行大量技术人才队伍的建设成为关键，要对现有的机械化生产水平进行优化和调整，促进煤矿生产的良性可持续发展起到促进作用。
3.1 煤矿机电自动化集控的应用现状
煤矿机电自动化集控技术能够将传统技术与现行先进技术进行有机结合，通过现代煤矿机电自动化集控技术的应用，可以在很大程度上将传统煤矿机电自动化集控技术当中存在的不足之处进行弥补与完善。这样各个系统设备设施的工作质量与工作效率将会得到提升。煤矿机电自动化集控的实际应用中，目前现状如下：
3.1.1 自动化集控理论研究工作有待完善。从目前许多煤矿企业的发展中不难看出，企业开始对机电自动化集控技术的理论内容进行研究，并且对机电自动化集控技术进行创新，并且将其应用到实际机电设备应用中。只有对其理论知识内容熟练掌握，才能明确其中的技术、性能、优势及发展方向等。从而将机电自动化集控技术优势充分发挥，为煤矿行业各项工作提供便利与保障。除此之外，还能对各项资源进行有效整合控制，实现煤矿企业的优质、高效、可持续发展。
3.1.2 前沿、先进、成熟的机电自动化集控技术有待引进。虽然机电自动化集控技术已经被应用在煤矿企业工作中，并且取得一定成效，但是仍然与理想效果存在很大差异。其中的先进技术有待引进，通过先进技术的应用，可以将机电自动化集控的优势与作用充分发挥，为煤矿企业各项工作的有序进行提供保障。
3.2 煤矿机电自动化集控展望
随着我国科学技术的不断进步，使得我国各大煤矿逐渐实现机电设备设施自动化与生产机械化，煤矿生产效率与生产质量得到不断提升，煤炭的产量也在逐年增加，为我国的能源利用和经济更好发展提供更多动力和保障。煤矿井下机电自动化集控技术最为显著的优势就是，能够降低工作人员的工作强度，使得每个工作人员的人身安全得到保障，为煤矿企业创造更多利润。但是因为我国机电自动化集控研究相较于西方国家而言起步较晚，与其之间仍然存在一定的差距。集中控制技术是机电自动化设备自动化当中的重要组成部分，为使得机电自动化集控技术能够更好发展，在未来可以充分发挥自身的价值与作用。可以从以下两点提升自身性能： 3.2.1 加强对综采技术的研究，加大具有自主知识产权配套设置的研发与应用。这样煤矿的开发能力才能得到很大提升，同时使得煤矿开采工艺得到优化与完善，核心技术亦不致受制于国外企业。
3.2.2 不断提升通信水平，保证各项数据信息的真实性、准确性与及时性。针对具有价值的信息内容展开深入研究工作，基于此，可以加强对微处理器自动综采设备以及运输设备的研究，这也是机电自动化集控未来发展的主要方向。
四、PLC集控技术在小庄矿的应用及升级改造实践
小庄矿业有限公司风井采用两台同等能力FBCDZ-10-№38/2×1000kW型矿用防爆对旋轴流式通风机，一用一备。每台通风机各配2台YBF-10-1000kW型防爆变频式电动机。矿用防爆对旋式通风机，监控系统采用两套AB 1769 CompactLogix系统，通讯总线采用DeviceNet。系统通过PLC自带的以太网通讯接口，实现风井主通风机房与调度集控中心的通信连接，采集主通风机PLC系统各运行参数及状态，通过在集控中心增加客户机，实现主通风机房监控系统在矿区集控中心的远程监控。
4.1 主通风机PLC控制系统改造前原系统存在的问题
4.1.1主通风PLC系统功能
4.1.1.1 控制功能
风机的启动、停止、反风、风门启闭控制等控制功能;可对变频器进行实时启停控制。
4.1.1.2 监测功能
实时监测通风机（设备）性能参数：矿井负压、动压、流量、效率等;具有风机运行实时曲线显示功能;实时监测风机配用电机的电气参数：电流、电压、功率等;实时监测设备的状态参数：振动烈度、定子及轴承温度等。
4.1.1.3 信息处理功能
人机界面简单直观、形象，操作简单、易懂;具有丰富的工况画面，界面友好，图表功能强大，操作快捷方便;数据实时（历史）显示（趋势图、曲线图等）、存储、查询、打印以及远程传输;对通风机运行故障（温度、振动等）在线报警及保护;显示当前运行机号、电机转速、正反转信号，风机开停状态;累计当前风机运行时间等;在模拟动画图上实现监测参数的实时显示，将监测参数存储到数据库中，可以以数据曲线和趋势图等多种方式实现监测结果的再现，实现小时、日等多种形式时间间隔的数据查询及查询结果以报表形式打印。
4.1.2 原系统存在问题及故障状态
原主扇风机PLC控制系统中高压风机的启停控制和风机速度给定均通过PLC的硬接线控制（启停通过DO信号，速度给定通过AO信号），当发生故障时，高压变频侧会报模拟量信号故障，而且同时运行的其他变频器会报相同故障，造成高压风机速度失去控制，PLC端的报警信号没有日志记录。
系统存在的主要问题如下：
4.1.2.1 DeviceNet通讯异常，通讯时通时断;
4.1.2.2 系统整体架构采用软冗余方式，逻辑关系复杂，系统中逻辑主备风机设备与实际物理主备风机设备对应关系不严谨，导致一台设备通讯故障会影响另一台设备工作;
4.1.2.3 采用单电源供电方式，大大提高了系统运行风险，如果电源出现故障，会使数据采集，通讯系统和控制指令整体失效，数据丢失;
4.1.2.4 系统设计未充分考虑模拟量信号隔离，容易造成信号干扰和扰动，使系统存在安全隐患和风险，影响系统运行的可靠稳定性。
4.2 主通风机控制系统改造
小庄矿主通风机控制系统为AB公司 1769 CompactLogix系统，通讯总线采用Devicenet，用软件方式实现双CPU热备功能，存在系统配置繁琐、冗余通讯不稳定和软冗余控制逻辑复杂、维护难的弊端，经常导致系统控制失效，不能正常运行。通过原故障分析和总结，改造主要从PLC基础通讯协议、系统架构、冗余电源管理和信号隔离四个方面入手，解决了系统存在的问题，并优化系统控制方案，为安全生产提供有力保障，并为将来主通风机房彻底无人值守提供有力支撑，并奠定基础。
4.2.1 改造技术关键点
4.2.1.1 通讯协议
改变原有控制系统采用DeviceNet通讯协议，DeviceNet是基于CAN Bus总线通讯协议为基础的现场总线标准，它的特点是面向复杂网络的低成本总线标准，适合仪器仪表设备，协议相对封闭。协议封闭对系统而言，不易扩容，不易维护，系统一旦出现故障，检修和消除故障的技术门槛非常高。
采用ModBus通讯网关方式，设置MicroLogix 1100负责与ARJC通风机微机监测系统同ModBus通讯，并将采集到的数据通过Erthernet/IP传输到主控PLC中。
ModBus通讯协议是基于RS485串行通讯协议的总线标准，通讯协议简单容易开发，而且开放性和透明度非常高，可类比现在手机应用主流系统Android开放性系统与IOS封闭式系统，支持的设备厂家非常多。对于用户而言，可以大大降低后续系统扩容或改造的成本，对系统运行维护人员专业技能要求较低，可以降低系统运行维护风险及成本。
所以，本次改造采用ModBus通讯协议。
4.2.1.2 供电方式
控制系统的直流电源采用1+1冗余配置，保证系统安全可靠运行。
4.2.1.3 信号隔离
所有模拟量AI/AO信号采用隔离栅隔离，最大限度避免信号干扰和扰动，提高系统整体抗干扰能力，减少各子控制系统对PLC主控制系统的冲击。即使系统存在安全隐患和风险，影响系统的可靠稳定运行的概率下降90%以上。
4.2.2 改造方案
4.2.2.1 采用双CompactLogix 1769控制，将两套风机的所有IO点重新规划，分别接入各自的PLC中，即1#和2#风机的所有IO控制点均接入1#PLC控制站，3#和4#风机的所有IO控制点均接入2#PLC控制站，两套PLC控制相互独立，即使一台PLC停机，也不影響另外一套风机系统的正常运行;安全连锁信号通过PLC间硬接线实现，增强系统安全性。如图1所示。 图1 系统改造方案拓扑图
4.2.2.2 模拟量输入和输出增加信号隔离器，防止信号干扰，同时可实现PLC模块硬件保护。
4.2.2.3 控制系统的直流电源采用1+1冗余配置，当任何一块直流电源出现故障，确保不影响系统安全可靠运行。电源模块更换率由3年延长到5～8年。
4.2.2.4 采用ModBus网关PLC同ARJC通风机微机监测系统进行ModBus通讯，并将相关数据通过以太网同两套风机控制PLC进行共享。
4.2.2.5 完善通讯报警功能，以图形方式显示ModBus、Erthernet/IP和关键设备的运行及通讯状态，如图2所示。
4.2.3改造方案的实施
2019年3月15日，方案设计完成并进入实施阶段，2019年3月16日开始，在确保不停产的情况下，在现场边生产边改造，于2019年3月24日顺利圆满完成系统改造任务。系统进入试运行阶段至今，主通风机系统运行正常，主备风机切换正常，就地控制正常，集控中心监控正常。系统改造达到预期效果，系统运行安全可靠性得到提升。
4.2.4 改造方案实施效果
4.2.4.1 系统可靠性提升
高压变频系统与PLC控制系统有各自独立的信号配电系统，高压变频器会产生很强烈的高、低频干绕信号和谐波信号，增加信号隔离器，通过光感或磁感器件进行隔离转换，然后再进行解调变换回隔离前原信号或不同信号，同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理，保证变换后的信号、电源、地址间绝对独立，有效抑制控制信号的干扰问题。
实例测试数据说明，改造前，系统没有隔离器，实时电流信号有干扰，而改造后，增加了信号隔离器，电机运行电流曲线明显平滑，得到改善，大大增强了系统的可靠性和稳定性。
4.2.4.2 系统运行维护风险大大降低
改造前，原有PLC控制系统故障时，风机只能切换到设备就地运行，然后PLC停机解决故障问题，平均故障处理时间约为24个小时以上（需要工程师现场指导、技术服务支持），在整个故障处理过程中风机处于无监控状态，运行风险很高。
改造后，当一套风机PLC控制系统出现故障，另外一套风机PLC控制系统可在4-5分钟以内正常启动并实现有生产数据均在线监控;同时故障PLC控制系统在维修时，不影响风机控制系統在线运行。
4.3小庄矿主通风机深度改造展望
通过此次改造给PLC主控制系统下增加了双冗余电源、1+1隔离器模块及端子，给PLC主控制系统增加了一道安全防火墙，又通过光电模块使得控制两台主扇的系统能够相互协作，开通双通道相互热备协作，增加了故障自动诊断系统，对故障分析判断、明确提示，提高了排除效率，大大提高了通风安全可靠性。在此基础上可对控制系统再深度改造，对主通风机稀油润滑站和各风门等加装执行私服系统及感应器，在PCL主控制系统控制下即使一台主通风机故障停机，若无人工干涉，主控系统会在设定的时间内按照设定参数曲线开启备用通风机，并自动设定加载频率调节风量，且有效躲避掉可能引起机体共振的工控频率，彻底实现无人值守，有人巡检的全自动化。
五、煤矿PLC机电一体化集控技术应用效益分析
5.1 提高自动化程度
在煤矿生产过程中，提高设备的自动化程度，能够使采煤的生产效率，劳动生产成本得以降低，同时对采矿过程中因失误所导致的不必要损失有效予以控制和减少。目前在较多煤矿作业中通过，液压支架电液控制系统，以及微电脑控制的综合采掘设备，可实现煤矿作业的全自动化无人操作以及远程操控等功能，同时工作效率大幅度提升。
5.2 节约能源
随着PLC的机电一体化技术的运用，煤矿设备的自动化程度大幅度提升，采煤的生产量大幅度提高，企业人员劳动成本降低，通过自动化采煤设备的运用，如提升机微电脑控制系统，胶带输送机等可采用永磁电机配套变频控制系统，根据负荷精确用电，减少设备运转能耗，不仅使生产效率大幅度提升，同时还实现能源节约，使煤矿企业的经济效益得到提升。
5.3 实现自诊故障、在线控制及报警功能
通过此技术的应用，在PLC系统控制下使煤矿各系统设备的在线监控功能得以实现。传动系统，液压装置系统电动机工况行程等实现了对运行状态的实时监控，在实现远程操控的同时，还能使设备进行自检和报警自动作，使生产过程中故障排除的时间和检修时间大幅缩减，设备的维修检测费用降低，同时设备的使用寿命得以延长。另外，煤矿设备通过在线监控功能，还能进一步实现智能化和人性化。根据矿井的实际采矿环境对煤矿设备的传动比例和负荷进行灵活调节，对生产中的能耗经济性提高，保障设备的安全性和稳定性。
六、结语
通过小庄矿主通风机PLC控制系统改造所取得的实效，主通风机房减少了巡视频次，降低了安全生产风险，提高了“自动化管控”水平，为下一步主通风机房“无人值守”提供有力保障。系统的通讯稳定性、供电安全性和架构可靠性等方面都得到了显著提升，并且通过“自动化管控”达到减人增效的目的，给企业带来可观的经济效益和社会效益。
再次证明，在煤矿企业的发展中，需要意识到机电自动化集控的重要作用。针对机电自动化集控的优势与价值需要充分掌握并研究，这样才能充分发挥机电自动化集控的价值。保证各项煤矿开采工作、煤炭运输工作的顺利展开。与此同时，通过将机电自动化集控应用在煤矿企业各个工作中，减少工作人员的工作量，在最大程度上保证各项工作的安全。只有这样才能实现煤矿企业的更好发展，同时增强煤矿企业在社会市场当中的竞争地位。