PLC监控系统在对旋轴流风机上的应用研究.pdf

第 1期 2 0 1 7 年 1月 山 西 焦 煤 科 技 Shanxi Coking Coal Science 监控系统； 远程操作 中图分类号TD724 文献标识码B 文章编号 1672 -0652201701 -0017 -03 煤矿生产主要是地下作业， 自然条件比较复杂， 只有少数井巷与地面相通。为保证安全生产， 必须对 矿井不断输入新鲜空气并排出污浊空气。主通风机 也称为主扇， 是煤矿非常重要的地面大型设备， 它能 够有效防止井下瓦斯的聚集， 进一步降低瓦斯爆炸的 可能性， 为确保矿井安全生产提供保障。我国煤矿安 全规程规定， 当主通风机突然停机时， 必须保证在 10 min内恢复向矿井供风， 因此， 对主扇风机主要性 能参数的实时掌控和调整是非常必要的。西山煤电 集团公司西铭矿冀家沟主通风机一直使用传统的通 风控制系统， 即简单继电器 接触器的控制系统， 并 人为对现场设备的电流表、 电压表、 负压计、 流量计等 监测表/计进行巡查监督记录， 对现场的阀门和开关 设备等进行手动操作。发现通风控制系统出现问题 进行处理或正常倒机操作时， 往往存在程序繁琐， 操 作过程时间长， 容易出现误操作等问题， 最终造成井 下瓦斯超限的安全隐患。所以， 必须对旧的风机监控 和操作系统进行改造。 1 PLC监控系统的原理结构及特点 1.1 煤矿用对旋轴流风机的工作特性曲线 轴流式通风机的实际工作特性可以用3 条曲线 收稿日期2016 -11 -21 作者简介 韵 凯 （ 1982 ） ， 男 ， 山西清徐人， 2005年毕业于徐州矿院， 助理工程师， 主要从事矿山机电技术及管理工作 E - mail 864800523 qq. com 来表示[1]， 分别是风压特性曲线、 功率特性曲线和效 率曲线， 见 图 1. 由图1 风压特性曲线可以看出， 主扇风机的风量 呈减小趋势， 而全压值在曲线图上所表现出来的是先 增加再减小又增加的形态。造成了小流通风量区域 通风机的特性曲线出现了驼峰形状， 因此， 主扇通风 机在实际运行中不建议在此区域工作。 由图1 功率特性曲线可以看出， 主扇风机电机轴 的功率在主风机不带任何负载时达到了最大， 随着风 门慢慢开启， 风量慢慢的增加， 主扇轴功率逐渐减小。 因此， 为了保护电机， 避免电机启动过载保护动作， 主 通风机启动时阀门必须全部开启。 18 山 西 焦 煤 科 技 2017年 第 1 期 限位开关限位开关 说 生I由 士n 图 3主 扇 控 制 系 统 功 能 结 构 框 图 2. 1 传感器与执行机构 风机就地各个信号的测量是通过多种类型的传 感器经变送器转换信号后实现。其中电机运行参数 是重点[2],根据通风机的特点与现场的具体要求， 冀 家沟主通风机采用的是佳木斯电机厂生产的电机， 电 机内部包含6 组 定 子 组 前 轴 、 2 组后轴温度传感 器。振动信号通过安装在风机电机风筒里的振动传 感器把振动速度信号转换成电压信号； 压力信号则是 通过引压装置采集局部环节差压信号。 2. 2 PLC的选型 根据冀家沟主扇通风机的工作特点， 经过分析可 知 ， 其完整的控制过程需要可控变化量90个左右， 系 统 的CRJ类型选择紧凑型- CPU 314,考虑到系统余 量 ， 参照西门子公司PLCS7 -300系列手册， 对AI 模块、 W 模块、 DO 模 块 、PS307、IM361、IM360、 - g 网路通信模块进行选型[3]. 图 2轴 流 风 机 监 控 系 统 网 络 拓 扑 结 构 示 意 图 2新在线监测监控系统的硬件组成2新在线监测监控系统的硬件组成 冀家沟风机房的在线监测控制系统按照功能模 块化思路设计， 主要由A I模块、D I模块、DO模块， 上 位工控机数据监控， 风机数值采集、 控 制PLC模块、 网络远程数据控制模块等组成（ 图 3 . PLC 障拟量输|障拟量输| PROFIBUS-DP 由图1 效率特性曲线可知， 主扇轴流风机的效率 是随着流量的增加呈现出先增加后降低的趋势， 但高 效工作区较窄。 西铭矿冀家沟风机房使用的是北京燕京风机厂 生产的FBCDZ- 8 -N028 2 x355 kW轴流风机， 通 过对主通风机进风量截面的控制， 达到调节风量的目 的。根据上述3 条轴流风机特性曲线的特点， 按照不 同风量测量下的风压、 功率等参数采取给定工作频率 的不同， 或者调整了风叶叶片角度等方法， 使 用PLC 监控系统来调节主扇的风量， 保证主扇的高效经济 运行9 1.2 PLC监控系统对主通风机的数据监控 i通风机运行的主要参数监测主要有以下几点 1 风机参数负压、 静压、 流量、 效率、 轴承温度、 轴承振动。 2 通风机电参数测量内容包括 电流、 电压、 功 率、 功率因数及电度。通过对这些电参数的监测， 可 以确定通风机的输入功率、 输出功率、 风机的效率， 同 时 ， 也可以了解通风机_ 前的运行状态， 有利于发现 电动机的故障。 3 开关量状态 馈出口柜状态、 进线柜的状态、 联络柜状态、 电机是否运行、 电机处于正转还是反转、 风机是否运行、 蝶阀以及风门是开启还是关闭， 有无 故障报警0 主通风机在线监控系统就是通过安装在风机各 处的传感器， 获得风机运行的实时参数， 在上位机中 对数据进行直观的观察分析， 判断风机运行是否正 常 ， 是否存在故障隐患， 保证风机的正常运行 1.3 主通风机在线监测所采用的组成结构方式 冀家沟主扇在线监测运用的是西门子公司PLC 工业以太网 工业个人计算机（IPC的监控模式， 从风机和蝶阀等现场设备采集的数据与PLC之间是 采用过程现场总线的通信方式， 工程师控制站与PLC 之间应用点对点的多点通信方式， 上层网络和上位机 之间采用色散管理与相位共轭技术的通信方式（ 图 2.在线监测改造使用的是西门子公司S7 - 3 0 0 系 列 的PLC， 将这一系列的PLC用作下位机， 上位机使 用工控机， 在监控室安装控制柜， 并且将信号采集设 备和控制输出设备放于控制柜内， 能够实现信号的数 据采集与实时监测， 数据的记录及分析， 风机的故障 报警、 远程控制， 数据的远程传送、 诊断Q 温度传感器温度传感器 压力传感器压力传感器 振动传感器振动传感器 继继 开关量辅开关量辅 电 电 器器 * 出模块* 出模块 DO 显不器 打印机打印机 上位工控机 电控柜轴流风机 2 0 1 7 年 第 1 期韵凯PLC监 控 系 统 在 对 旋 轴 流 风 机 上 的 应 用 研 究 19 3. 2 上位机的组态 西铭矿冀家沟主扇风机在线监测系统使用的是北 京昆仑泰通自动化软件公司的监视与通用控制系统组 态软件， 可以快速构造和生成监控系统所需界面， 可视 性好， 维护性强， 最终实现对风机的各项控制功能。 系统监控主界面见图5，主通风机后台电脑监控 画面主要有2 台风机的关键部位测点的实时数据， 风 机运行的状态反馈， 风门蝶阀的关启反馈， 开关量状 态 ， 系统集中控制中心， 报警画面及历史记录， 还可以 实现数据报表的输出打印。 图 5系 统 监 控 主 界 面 图 4新监控系统的投运新监控系统的投运 4. 1 改造后发现的问题及处理 将冀家沟主通风机监控系统进行改造后， 收到了 预期的效果， 但是在运行了一段时间后发现仍存在一 些问题。 1 风筒风压的远传数值和通过水银柱实地测量 得到的结果有一些偏差， 并且数据很不稳定。初步判 断是变送器故障， 检测后排除； 经过推敲， 最终确定是 通讯线路的问题。经分析由于冀家沟风机房风机与 后台监控室之间有一段较长的距离， 在风筒上取风压 信号后， 通 过 1 条单独的通讯信号线经过架空杆、 电 缆沟等很长距离后接入监控室， 并且没有较好地进行 电缆防干扰屏蔽， 这些因素造成了信号的不稳定及不 准确。措施使用大功率信号变送器， 增强信号的输 出； 优化信号走线布置， 缩短线缆长度； 与动力电缆同 线槽布置时保持规定距离， 防止干扰， 最终该问题得 以解决。 2 为了监控风机电机及叶片等转动设备造成的 振动， 在风筒上安装了 X轴 和Y轴方向的振动监测 探头。风机运行后发现 电机及叶片结合部位肉眼观 测有明显振动， 而探头显示振动值几乎为零， 起不到 监控作用。措施 经分析由于原厂风机出厂时并未预 设振动监测位， 而振动探头的安装位置直接决定着数 据的准确性， 根据厂家提供的意见把探头通过焊接支 架直接安装在风筒外壁上， 振动传导到这里已经非常 微弱， 体现不出关键部位的振动情况， 后来根据风机 风筒结构及长期观察振动较大部位， 最终确定了振动 探头在风筒内部风机电机支架底部的安装位置， 现已 长期运行， 数值显示精准。 4.2 改造后的使用效果 冀家沟主通风机新监控系统改造以后， 经过长时 间的运行观察， 系统运行非常平稳，PLC动作正常， 后 台操作界面显示友好， 各系统通信较为畅通， 主通风 机的所有关键测点和参数都能够在后台机上直接查 看 ， 报警提示非常醒目及时， 风门及电机的操作也全 部从后台电脑进行。经过实测， 在模拟事故状态下的 倒机操作只需要3 min 下转第4 5 页） 3在线监测系统软件设计在线监测系统软件设计 3.1 下位机的组态 按 照 冀 家 沟 主 风 机 的 监 控 要 求 ， 安 装PLC控 制程序软件并建立程序块， 其 主 要 包 含 5 个F C功 能 块 ， 3 个 数 据 块 ， 1 个 组 织 块 0B1 ， 1 个模拟量输 出 模 块FC106， 1 个 输 入 模 块FC105.在各程序块 内进行编程（ 图 4. OB1 循 环 组 织 块 是 程 序 主 体 ， 主 要 程 序 都 编 写 在OB1 中 ， 此外主程序块还可以 调 用 其 它 各 种 功 能 或 功 能 块 ， 从而实现整个系统 的控制。 图 4 1风 机 电 机 启 动 柜 工 作 启 动 程 序 示 意 图 参考文献 [ 1 ] 贺 虎 ， 窦林名， 巩思园， 等.巷道防冲机理及支护控制研究[J].采矿与安全工程学报,2010， 271 40 -44. [ 2 ] 李剑锋， 何 岗 ， 国兴福.深孔卸压爆破控制冲击地压的机理及应用[J].煤炭科技， 20081 75 -77. [ 3 ] 张兆民.大直径钻孔卸压机理及其合理参数研究[D].青 岛 山东科技大学,2011. [ 4 ] 高明仕.冲击矿压巷道围岩的强弱强结构控制机理研究[D].徐州 中国矿业大学,2006. [ 5 ] 康红普， 王金华， 林 建 .高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用[J].煤炭学报， 2007,3212 1233 - 1238. Research and Application on Development Area of Return Airway Damage and Controlling Technology in Fully Mechanized Caving Face YUE Pengfei Abstract Based on the frequent occurrence of rock pressure in the development section of the No. 705 fully mechanized top coal caving mining face in a mine, the failure mechanism of the development section roadway is ana lyzed , and the coordination controlling technology for the anchor and the high-pressure water injection are put for ward. The numerical simulation results show that the co-control technique can effectively reduce the stress concentra tion in the top head of the working face with better effect. The research results provide some control theory, and is of certain significance for the improvement of the stability of the surrounding area of the return airway in the working face. 2 0 1 7 年 第 1 期 岳 鹏 飞综 放 工 作 面 回 风 巷 超 前 段 破 坏 及 控 制 技 术 .45 . Key words Development area； Mining effect； Collaborative control； Numerical simulation 上 接 第1 9页 ） 就能全部完成， 降低了运行人员的劳动强度， 提高了 设备的可靠性。 5结 语5结 语 利用“P L C 工 业 以 太 网 IPC”技术对冀家沟 风机房监控操作系统进行改造， 提高了设备的可靠 性 ， 降低了劳动强度， 提高了安全系数， 确保了井下工 人的生命安全， 提高了企业的生产效率和经济效益， 值得推广。 参考文献 [1 ]张 俊 ， 姚金林.GAF型矿用轴流式主要通风机现场性能测试[J].煤矿科学技术,2005 3 22 - 25. [ 2 ] 崔 鑫 ， 李继勇.P L C在煤矿主通风机自动控制系统的应用[J].煤矿机械，20044 25 -28. [ 3 ] 王啸东.P L C控制系统设计方法解析[J].自动化与仪器仪表，2011143 -48. Application of PLC Monitoring System in Counter-rotating Axial Fan YUN Kai Abstract For the improvement of the reliability and safety in main ventilation fan, the perance of the two main fans in Ximing coal mine which is under xishan coal and electricity group is measured and analyzed. Com bined with the already known problems during daily manual operation. Data from the temperature sensor and pressure sensor inside the motor are collected, voltage and current signals from high voltage switch cabinet also being intro duced , the butterfly shaped air-door remote signal and remote operation signal from high voltage cabinet adopted, to gether with the PLC Industrial Ethernet IPC Monitoring mode, the monitoring and remote operation system are to tally upgraded, so to achieve the on-line monitoring, remote monitoring and operation, efficiency increased and safety production guaranteed. Key words Counter-rotating axial fan ； Perance test； PLC ; Monitoring system ； Remote operation