基于PLC的金属非金属矿山局部通风机自动控制系统(1).pdf

自动化 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 0 2 6 基于P L C 的金属非金属矿山局部通风机自 动控制系统 权洁 ，熊书敏 ，孙晓 东，余谦 ，张焕强 天地 常州自动化股份有限公司，江苏常州 2 1 3 0 1 5 摘要介绍了金属非金属矿山局部通风机 自动控制的必要性；分析了局部通风机自动控制系统的功能要求和特点，并根据功能 要求运用P L C 控制器对自动控制系统进行了总体的硬件设计和软件设计；在实验室条件下搭建了模拟实验平台，进行了模拟试 验，结果表明该系统稳定可靠，具有较高的推广价值。 关键词金属非金属；局部通风机；P L C ；监测；自动控制 中图分类号 T D 4 4 1 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 5l O一0 1 0 40 3 M e t a l No n me t a l M i n e Lo c a l Ve n t i l a t o r Au t o ma t i c Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n P LC Q U A N J i e ，X I O N G S h u - m i n ，S U N X i a o - d o n g ，Y U Q i a n ，Z H A NG H u a n q i a n g T i a n d i C h a n g z h o u A u t o ma t i o n C o ． ，L t d ． ，C h a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，C h i n a Abs t r a c t I n t r o d u c e d t h e n e c e s s i t y o f a u t o ma t i c c o n t r o l o f me t a l - n o n me t a l mi n e l o c a l v e n t i l a t o r ． An aly z e d t h e f u n c t i o n a l r e q u i r e me n t s a n d c h a r a c t e ris t i c s o f a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m， a nd d e s i g n e d t h e o v e r all h a r d wa r e a n d s o f t wa r e a c c o r d i n g t o t h e f u n c t i o n a l r e q u i r e me n t s o f a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m u s i n g PL C c o n t r o l l e r ．B u i l t a s i mu l a t i o n e x p e r i me n t p l a t f o r m i n t h e l a b o r a t o r y a n d c a r r i e d o u t a s i mul a t i o n e x p e rime n t ，r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m i s s t a b l e a n d r e l i ab l e，a n d h a s hi g h p r o mo t i o n v a l u e ． Ke y wo r ds me t al n o n me t al ； l o c a l v e n t i l a t o r ； P LC； mo n i t o rin g ； a u t o ma t i c c o n t r o l 0前言 由于我 国地质条件复杂 ，煤矿 和非煤矿开采 时会产生大量 的有毒有害气体 ，威胁员工 的人身 安全 。局部通风机是改善矿 山井下劳动条件 的重 要设备，是井下掘进过程中最主要的通风设备， 是实现安全开采的必要安全设施 1 。 目前 ，金属非 金属矿山使用的局部通风机大多采用传统的手动 控制方式 ，风机 的启停不能根据有毒有 害气体的 浓 度变 化而 改变 ，因此常 常会 出现气体 已经排 出，但风机还在运行的情况 ，造成大量的能源浪 费和经济损失。随着 自动化技术的发展 ，结合 P L C 控制技术和变频调速技术对传统风机启停进 行 自动化设计 ，对有 毒有害气体进行实 时监测 ， 并通过监测数据反馈对通风机的启停和通风量进 行控制 ，能够大大提高风机的工作效率 ，减小能 源的浪费 ，降低开采成本 ，达到安全高效 的目的。 1 系统的功能要求和特点 通风机 自动控制 系统能够实时监测现场 的一 氧化碳 、氧气 、二氧化氮等气体 的浓度参数 ，并 在气体浓度超标时发出语音、声光报警，提醒现 场工作人员禁止进入工作 区域 ，能够实现对局部 通 风机的手动和 自动控制功能的切换 ，保证 在 自 动控制出现故障时实现手动的方式进行控制。现 场 的各监测数据能够实时传输到 P L C控制器 ，运 用上位机上的组态画面进行历史曲线 、实时数据 等的显示和分析。 该系统 的特 点 主要包 括 系统组 合方 式 多 样 ，可 以通过以太网与矿井其他 系统无缝结 合 ，实现信息共享 ；传感器报警点可以在传感 器上设 定 ，也可 以通过组 态软件 设定 ；智 能型 总线传 感器 即插 即用 ，可 以实 现对不 同气体 的 监测 ] 。 收稿 日期 2 0 1 5 04 3 0 匡 权 洁 等i基于P L C的金属非金属矿山局部通风机 自 动控制 系统 2系统的整体设计 为了实现该系统上述 的功能要求 ，本文设计 了基于 P L C控制器以及各种气体传感 器的局部通 风机闭环控制系统 ，以气体浓度值为输入参数 ， 接入 P L C的模拟量输入端，以局部通风机为控制 对象 ，通过变频器对局部通风机进行变频调速和 启停控制，控制系统方框图如图1 所示。 图1控制系统方框图 2 ． 1 系统硬件设计 矿井局部通风机 自动控制系统 由P L C控制 柜、变频器、局部通风机和各类传感器组成，各 传感器监测到的气体浓度值反馈到P L C 控制器 ， 当有任一传感器浓度值超过设定参数时，发出语 音、声光报警，该信号经P L C 处理后控制就近的 变频器对风机的启停和转速进行控制 ，从而有效 控 制 通 风机 的启 停 和通 风 量 ， 在一定 时间 内驱除有毒 有害气 体 ，当环境参数达到设定要求 后 ，即无报警提示时，工作人 员方可进 入工作 区域 。该控 制系统结构图如 2 所示。 2 ． 2系统软件设计 局 部通风机 自动控 制系统 基于上位 机组态 软件组态 王 6 ． 5 5 版本 ，实现对 C O气体浓度 的显示 ，监测浓度超 过设定值 时发出语音和声光报警，并伴 随画 面闪烁警示 ，其 中语音报 警和 画面闪烁警示通 过组态 软 件编 程实 现 。P L C编程 采用西 门子通用编程软件S T E P 7 M i c r o WI N V 4 ．0 版本 ， 系统程序采用模块化设计 ，包括控制 主程序、模 拟量采集 程序 、手动控制程序和手 自动切换控制 程序等。 3模 拟实验研 究 为了研究该系统的可行性 ，本文 以C O气体浓 度的监测为例，在实验室搭建了控制系统演示平 台，并通过组态软件对C O 气体浓度进行实时监测 和显示 ，浓度 超过设 定值 时发 出语 音和 声光报 警 ，通过P L C 采集监测数据处理后控制继电器从 而控制通风机的启停 。 本实验采用 的P L C为耐特公司生产的 L T 一 2 0 0 系列 C P U 2 2 4 一 X P型 ，该P L C采用直流 2 4 v电源供 电 ，集 成 2 AI ／ 1 A O和 1 4 D I ／ 1 0 D O功 能 ；采用天地 公 司生产 的 G T H1 0 0 0矿 用一般 型一 氧化 碳传感 器，该传感器用于连续固定检测金属非金属井下 环境空气中的C O含量，本实验中该传感器用于监 测C O 含量，并通过R S 4 8 5 总线将检测到的浓度信 号通过频率转换电流板，转换成模拟信号输送给 P L C的模拟量输入端 ，浓度达到或超过设定值时 发 出语音和声光报警 ，模拟系统连接 图如图 3 所 示 。 上位机采用组态王组态软件对监测数据进行 显示和记录 ，并对监控画面进行显示 ，组态王监 控画面如图4 所示 。 模拟实验结果表明，采用P L C 控制器、C O 气 体传感器、继电器等能够实现局部通风机的自动 ； 通风机 变频器 P Lc 控制箱 局部通风机1 局部通／ z , 机2 P L j 空{ - 各种传感器 各种传感器 变频控制模式 图2控制系统结构图 匿 普通经济型模式 自动化 图3 模拟 系统连接 图 ● 局部通风机监控系统 冈 4组 态王监控画面 控制，通过组态软件能够对气体浓度和报警信息 等进行 实时画面监测 ，并实现语音 和声光报警 ， 提高了设备运行的安全性和 自动化水平 。 4结论 该 系统在保证了金属非金属矿 山安全开采的 同时，达到了降低功耗 、节约成本的目的，并实 现 了 自动控制 ，运行安全 可靠 ，能够在提高生产 效率 的同时保 障员工的安 全 ，在能源相对紧缺的 现状下 ，该系统具有较高的推广价值。 参考文献 [ 1 ]周建新，张兴凯 ，刘晓宇，等． 非煤矿 山安全标准 化 在安 全生 产 中的地 位和作 用 [ J ]． 金 属矿 山， 2 0 0 7 4 1 - 5 ．1 8 ． [ 2 ]王淑芳 ，王剑波，张丽，等． 局部通风机调速控制系 统的研究 [ J ]． 煤炭学报 ，2 0 0 6 ，3 l 6 8 l 3 8 l 8 ． [ 3 ]余跃，李新，何元新． 局部通风机智能控制系统的设 计 [ J ]． 矿业安全与环保，2 0 1 2 ，3 9 1 4 3 4 5 ． [ 4 ]王前进 ，马小平，张守田．P L C冗余在通风机监控系 统 中的 应 用 [ J ]．工矿 自动化 ，2 0 1 4 ，4 0 I 9 3 9 6 ． [ 5 ]华满香． 矿用通风机监控系统中P L C控制和组态技术 的应用 [ J ]． 煤炭技术，2 0 1 3 ， 1 1 6 9 ，7 0 ． [ 6 ]孙传余 ，肖林 京 ，孙慧 ，等． 煤矿 通风机 变频控 制 系统 的 开发与 应 用 [ J ]． 工矿 自动化 ，2 0 0 9 ， 3 5 1 1 7 2 7 5 ． [ 7 ]王启立，胡亚飞，熊建军． 基于可编程控制器的煤矿 主 通 风 机监 控 管理 系统[ J ]． 煤 炭 工程 ，2 0 0 7 7 9 4 - 9 6 ． 第一作者简介权沽，男，1 9 8 7 年生 ，江苏徐州人，硕 士研究生。研究领域 产品结构 艺设计。已发表论文3 篇。 编辑 向飞 一 - ● 一- 一- ● ～- 。 ● 一 - ● 一- ● 一- 。 。 一- 一 - - - - - - - - - - - - - 一 - - - - ． --4 - ． - - 上接 第3 5 页 目的是将 电气产品在投运后可能产生的潜在的安 全隐患 ，通过技 术手段就在设计 阶段将 其杜绝 ， 防止因运营管理不善造成关键设备损坏甚至烧毁 等安全事故。 然而电源车运用 的工厂试验环境是非常复杂 的，电源车将如何使用是无法完全预料的，仅仅 考虑对变压器这种关键设备的保护是不够的 ，仅 仅引入继 电保护手段也是不够的 ，因此电源车的 优化设计不仅要包 含关键设备的保护 ，还需要在 操作人员保护 ，诸 如三相 四线系统 的断线保护等 关键设备的其它类 型保护 ，信号警示等环节再加 以考虑并进行优化 。这样才能从技术层面上将运 营的安全隐患消除掉。 参考文献 [ 1 ]孙亮，陈其翔，汤龙． 电气设计中E x c e l 电子表格的应 用 [ J ]． 电气应用，2 0 1 2 2 2 9 3 2 ． [ 2 ]J B ， 1 r 8 7 4 9 ． 3 2 0 1 3 ． 调压 器 第 3部分 接触 调压 器 [ s ]． [ 3 ]施耐德电气有限公 司． 电气装置应用设计指南2 0 0 6 [ M]． 北京中国电力出版社。2 0 0 6 ． [ 4 ]刘介 才． 工厂供 电 [ M]． 北京 机械 工业 出版社。 2 01 0． [ 5 ]汤蕴缪，梁艳萍． 电机学 [ M]． 北京机械工业出版 社 ．2 01 1 ． 第一作者简介谭兰平，男，1 9 8 2 年生，湖南娄底人．大 学本科。研究领域建筑电气 、机房T程 、供配电系统设 计及安装。 编辑 阮毅