风机无人值守控制系统的设计.pdf

高新技术 2016 年 10 期︱11︱ 风机无人值守控制系统的设计风机无人值守控制系统的设计 赵建军 1 俞贵宏2 喻明政2 尹九龙2 李 毅2 郎 跃2 1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213015 2.玉溪矿业有限公司大红山铜矿，云南 玉溪 653405 摘要以 PLC 为控制核心，通过地面监控主站的 CPU 与井下分散在各个地方的通风机变频器之间相互通讯，根据风速需求自动调节 频率，实现通风机的无人值守控制系统。 关键词通风机；无人值守；PLC；变频器 中图分类号TS737.1 文献标识码B 文章编号1006-8465（2016）10-0011-02 1 前言 矿井通风机是向井下输送新鲜空气，排除矿井有害气体，维持正 常的生产条件，保障安全作业和人员身体健康的固定设备，其运行状 况的好坏，直接关系到人身安全和生产能否正常运行，在保证矿井正 常安全生产方面起着重要的作用。计算机实现对通风机的智能化管理 和控制将为设备运行带来众多的优点，为企业发展产生重要的意义。 2 风机系统现状及存在的问题 2.1 风机系统现状 云南玉溪矿业有限公司大红山铜矿大红山铜矿整个系统作业点 多，需风范围大、线路长而复杂，风流控制较为困难，回风段沿线的 风机在停机后，个别装机点风机存在反转现象。同时，因矿生产组织 及爆破作业需要，高压线路计划和非计划停电十分频繁，加之井下系 统风机与生产用电存在较多交叉问题， 导致系统风机启、 停操作频繁。 2.2 风机系统存在的问题 （1） 大红山铜矿整个通风系统虽然有极少部分风机配备变频调 速装置，但运行过程中未能根据现场的风量情况及时调整，造成部 分时刻风机无效运转对能源的极大浪费； （2） 系统风机与生产用电存在较多交叉问题， 导致系统风机启、 停操作频繁，增加了风机操作人员的工作强度，降低了操作人员及 风机的安全系数； （3）通风系统服务范围大，风机设备分布较分散，靠人工现场 操作及维护相当困难，浪费大量人力、物力，且效率低，安全性也 不能得到很好的保障； 3 系统功能设计与实现 系统利用现场总线及远程 I/O 控制技术，通过光纤传输将井下风 机房控制及监控数据上传，最终实现通风设备的自动化控制及远程控 制。根据大红山铜矿井下风机分布状况，本系统设计包括现场井下风 机控制分站、风机控制主站和调度中心上位机集控系统三部分组成。 低压风机采用变频器远程控制，有远程/就地等功能。在网络中心机 房设计一个 PLC 控制主站，该主站控制井下各个分站的风机设备。调 度中心增加一套 Wonderware 软件，作为风机控制系统运行平台。 井下风机控制分站高压风机采用远程 I/O 分站；低压风机使 用变频器采集现场风机运行数据，通过网络直接和变频器通讯，采 集风机的运行数据， 通过 Profinet 总线接入就近的现有安全避险系 统光纤接入点，经主干环网光纤上传至调度中心集控室的核心交换 机，再经核心交换机传至网络中心机房 PLC 监控主站，监控主站将 所接收到的分站信息在 PLC 内经程序处理后，通过以太网在中控室 上位机集中显示控制。 3.1 控制功能 （1）在网络中心机房设计一个 PLC 控制主站，该主站控制井下 各个分站的风机设备； （2）各装机点位置安装声光报警装置，风机启动前先报警，以 便提醒周围的人员将要启动风机； （3）在各装机点位置安装红外监控摄像头，风机启动前便于操 作人员观察现场是否具备启动条件； （4）系统具备远程智能联动控制功能，即根据装机点安装的风 速、风压、温度、一氧化碳等传感器采集的数据，结合变频器自动 调节风机工况，以达到节能降耗的目的。 3.2 监控主站功能 主站建设地点位于大红山铜矿网络中心机房，主站配置西门子 S7-300PLC 控制主站，主站 CPU 选用 315-2PN/DP [1]。主站通过地面 环网管理型交换机 Profinet 通讯采集井下各风机变频器数据， 并由 CPU 编程控制各监控分站风机运行，再与核心交换机通讯，将数据 上传至调度集控中心上位机。 （1）控制功能在网络中心机房建立1 台S7-300 PLC 监控主站， 控制井下多台风机。实现远程控制风机正转启动、反转启动、停止的功 能，当风机出现故障时显示故障代码并自动停止风机运行， 保障设备安 全运行。实现远程自动、手动调节变频器频率来改变风机转速的功能。 （2）数据采集功能实时采集风机运行数据，包括风机运行状 态、电压、电流、频率、风速等参数，并上传至调度集控中心的上 位机进行实时显示。 （3）通讯功能S7-300PLC 主站具备与井下风机变频器同时通 讯的功能，能同时控制多台风机的变频器，实现对井下各台风机的 实时远程监测监控。 3.3 监控分站功能 分别在各风机配电硐室控制柜内配置网关模块、电源模块、工 业级以太网交换机。 通过硬接线将现场变频柜内远程/就地、 正转、 反转、 启停控制、 速度调整、转换开关连接到变频器，实现风机远程/就地控制。风机 运行电力参数（电压、电流、频率）和变频器直接采集到的信号通 过通讯网络上传到上位机进行远程监测 [2]。 （1）控制功能实现现场远程/就地/旁路/检修转换，就地控 制风机正转、反转、调速、停止；远程自动/手动功能，远程手动方 式控制正转、反转、调速、停止；远程自动根据风速等监测数据自 动控制风机转速。 （2）数据采集功能实时采集风机运行数据，包括风机运行状 态、电压、电流、风速等参数，并上传至调度集控中心上位机进行 实时显示。 （3） 通讯功能 通过网络实现变频器与监控主站 PLC 数据交换、 PLC 与上位机的通讯。 （4）报警功能现场配置声光报警器，当风机启动、故障时， 将以声光报警的形式提示现场人员，保障风机系统安全运行。 （5）监视功能现场配置红外监控摄像头，当风机启动时，操作 人员可以观察装机点现场是否具备启动条件， 保障风机系统安全启动。 3.4 监测系统设计 现场安装风速检测传感器，将传感器的信号接入原变频器模拟 量接口，通过通讯网络将现场环境监测数据上传至调度集控中心上 位机，并参与风机运行控制。可根据现场环境监测数据，自行调节 风机运行速度，实现风机的自动控制功能。同时，风机运行的电力 参数电压、电流、频率等监测数据用变频器通过通讯网络将数据上 传至 PLC 控制主站，在调度集控中心上位机上集中显示，监测现场 风机运行状态 [3]。 3.5 视频监视系统设计 在进行风机远程启动时，为了更好的了解装机点周围的环境状 况，防止安全事故发生，本次设计除在装机点附近安装声光报警装 置外， 还考虑了在装机点进风端距离风机 5m 的位置安装红外夜视摄 像头，进一步增加风机远程启动时的安全性。 4 应用效果及分析 大红山铜矿 720 中段 48 线、56 线 2 个装机点的 4 台风机，可 （下转第 10 页） High New Technology ︱10︱2016 年 10 期 铝合金薄壁件加工变形控制技术研究铝合金薄壁件加工变形控制技术研究 李善勇 安徽方圆机电股份有限公司，安徽 蚌埠 233010 摘要在航天、电子等高精尖制造业发展的过程中，对铝合金薄壁件的性能要求非常高，但在铝合金薄壁件加工时会受到多种相互作 用的因素影响产生变形，所以控制铝合金薄壁件加工变形的技术研究一直被高度关注，在此背景下，本文针对铝合金薄壁件加工变形控制 技术展开研究，为相关制造企业提升铝合金薄壁件加工效果提供参考。 关键词铝合金薄壁件；加工变形；控制变形 中图分类号TS912.3 文献标识码B 文章编号1006-8465（2016）10-0010-01 前言 现阶段人们普遍将壳体件、环形件、平板件、轴类件等工业零 件中，零件壁厚与内径率半径或轮廓尺寸的比值小于 0.5 的称为薄 壁件，其一般具有刚度低、结构复杂、加工过程中易变形等特点， 如果将变形的铝合金薄壁件应用于高精尖产品中，会直接影响其使 用性能，甚至造成严重的安全事故，所以提升铝合金薄壁件加工变 形控制技术具有重要的现实意义。 1 铝合金薄壁件加工变形控制技术的主要思路 在铝合金薄壁件加工的过程中，毛坯的形状、内应力，刀具的材 料、刚度、磨损，装夹系统的定位精度、加紧位置和夹紧力，机床的 耐度、控制精度，切削的温度、深度、进给量等条件，工件的材料、 结构形状以及刀具半径、工作组织、加工顺序、随机因素等其他因素 均可能会引起铝合金薄壁件的加工变形 [1]。现阶段人们已经认识到基 于加工工艺系统整体刚性进行薄壁件加工对控制薄壁件加工变形的 重要性，并在实际加工的过程中结合导致铝合金薄壁件加工变形的因 素采用以下手段进行控制。 首先， 对具体的加工机床和刀具进行优化， 例如，日本提出从薄壁件两侧壁用双轴机床同时加工，我国提出的利 用立铣刀从侧壁进行加工等，均具有控制薄壁件变形的效果。其次， 灵活的选用多种加工工艺控制变形，如在精加工完成后直接进行切光 和手工打磨，可以达到优化走刀路径和刀具切削用量控制变形的效 果，但此方法在应用的过程中会对加工效率产生影响 [2]。再次，在安 装的过程中，利用低熔点合金填充、石膏填充等方法，强化对薄壁件 的支撑稳固性，进而提升加工精度、控制变形，并对变形薄壁件进行 有效补偿。另外，在薄壁件加工的过程中，考虑到高速切割铣削方法 在应用的过程中， 对加工零件产生的冲击力较小、 切削热被大量带走、 刀具激振频率可选择薄壁结构工艺系统振动频率范围外的数值、而且 刀具的刚性和长度更加理想，而且铝合金的硬度较适中，所以在控制 铝合金薄壁件加工变形的过程中可以积极选用。 2 铝合金薄壁件加工变形控制的技术应用 现阶段在对铝合金薄壁件加工变形进行控制的过程中，大部分 是对以上控制思路的践行，笔者选择现阶段应用较广泛的铝合金薄 壁件切削加工变形控制技术对其展开研究。 2.1 准确选择和定位工艺桩 目前工业制造中应用的铝合金薄壁件大部分为不规则几何体， 所以在加工时完全放平并不具有可操作性，需要针对性设计的独立 工艺桩予以支撑，但加工工艺桩时也可能因间接受力发生变形，所 以需要利用有限元分析法为工艺桩设计和制造提供依据，特别是在 上下均要求加工的铝合金零件工艺桩制造的过程中，如汽车的引擎 盖等结构，目前主要利用 MSC 或 Nastran 软件进行有限元分析。 2.2 准确选择加工基准 在采用球形基准进行铝合金薄壁件加工的过程中，对合适的基 准部位进行定位，可完成坐标轴的设定，另外，考虑到大部分铝合 金薄壁件在加工的过程中要涉及多工位，如果位置摆放不稳定，会 直接影响加工的精准度，造成加工变形，所以在控制的过程中，准 确的选择加工基准 [3]。目前主要应用 2x/2y/4z 法，即在 x 轴和 y 轴 分别设置两个基准，各基准 2 个基准块，将其中两个位置相对最远 的基准块视为加工基准， 另外两个直线度在 0.01 毫米以内的基准块 视为辅助校核基准。 2.3 准确选择铣刀 刀具的材料、几何结构和参数等均要结合加工机理、切削工艺、 各种材料的特定等方面进行综合确定，目前在高速切削的过程中应 用的刀具种类主要有硬质合金、金刚石等材料。在铝合金半精加工 或精加工过程中，虽然 PCD 的性能最为理想，但考虑到其价格较高， 在实际加工的过程中，如果对加工变形的控制要求相对较低可用硬 质合金的刀具替代 PCD 刀具。 2.4 准确选择切削液 在对铝合金薄壁件进行粗加工的过程中，如果铣刀的直径和受 力较大，会生成一定的切削热，进而使钢刀在应用的使用寿命缩减， 所以需要应用离子型切削液等对其进行有效的冷却。考虑到硬质合 金刀具自身耐热性能较好，所以只有在必要的时候连续的浇筑切削 液，使工件表面糙度减少的同时精度提升，实践证明在每分钟 40 米 的加工条件下，选用 10至 12乳化液，主切削力会缩减 12至 15， 有效的降低变形的可能。 除上述方面外，在进行铝合金薄壁件加工变形控制的过程中， 合理的应用 CAM 编程技术也十分重要，结合加工过程对刀具轴移动 方向、速度等方面的实际需要，进行编程设定，避免铝合金薄壁件 因受多种方向力而发生加工变形。 3 结论 通过上述分析可以发现，现阶段人们已经认识到控制铝合金薄 壁件加工变形对推动高精尖制造产业发展的重要性，并在实践中有 意识的结合可能诱发铝合金薄壁件加工变形的因素以及各因素之间 的相互关系，采取有效的控制措施，这是薄壁件加工水平提升的具 体体现，应在不断完善的基础上，推广应用。 参考文献 [1]孔啸,李铭,卞大超.铝合金薄壁零件切削加工变形控制技术[J].机械 设计与制造,201002. [2]孙国智.大型复杂薄壁结构件加工变形仿真与控制技术研究[D.北 华航天工业学院,2015. [3]张峥.飞机弱刚性铝合金结构件的残余应力和加工变形控制技术 研究[D].南京航空航天大学,2016. （上接第 11 页） 根据现场环境监测数据，自行调节风机运行速度，实现风机的自动 控制功能，实现了无人值守，提高了工作效率和管理水平，降低了 劳动强度，从而体现了风机自动化系统的经济效益。 4.1 工资效益分析 系统建成之后，井下风机实现了无人值守。当停电再送电后， 系统会自动开启风机，提高了送风的及时性、安全性，减少了送风 电工的工作量，节省的操作工可以补充到其他工作岗位。 4.2 节能效益分析 根据现场环境监测数据和风量的需求， 自行调节风机运行速度， 风量需求少的时候可以降低风机频率减少开风机的数量，从而起到 节能降耗的作用。 5 结论 云南玉溪矿业有限公司风机无人值守控制系统经实践证明，实 现了多台风机的远程无人值守自动化控制，监测数据齐全准确，图 表画面友好，系统稳定可靠，提高了系统效率，减轻了工人劳动强 度，节能减人提效的效果明显，提升了矿山自动化控制系统的水平。 参考文献 [1]秦益霖.西门子 S7 300 PLC 应用技术[M].北京电子工业出版社, 2007. [2]梁慧斌.西门子 PLC 在空压机站智能控制系统的应用[J].黑龙江煤 矿机械,2012. [3]王海山.基于 PLC 的矿用通风机监控冗余系统设计[J].北京煤矿技 术,2014.