基于PLC的矿井通风机性能测定系统研究.pdf

第 1 1 期 2 0 1 0年 1 1月 工矿 自 动化 I n du s t r y a n d M i ne Aut o ma t i on No ．1 1 NO V ． 2 01 0 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 0 1 1 0 0 3 6 0 4 基于 P L C的矿井通风机性能测定系统研究 赵 勇明 ， 蒋曙 光 。 ， 吴征艳。 ， 邵 昊 ， 迟洪 有 。 ， 韩子 维 。 1 ． 中国矿业 大学煤 炭资源 与安全 开采 国家重 点实验 室 ， 江 苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 中 国矿业 大学安 全工 程学 院 ， 江 苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘要 针对现有的基于单片机的通风机性能测定系统存在编程难 、 不易懂， 稳定性和可靠性不高等问题， 介绍 了一种基 于 P L C的矿 井通 风机性 能测 定 系统 的设 计 ， 详 细介 绍 了该 系统 的工作 原 理 、 硬 件 组成 和软 件 设计。该系统采用分布式测定方法， 在完成对通风机风速 、 相对静压、 轴温、 大气压力、 相 电流、 相 电压等参数 实时采 集 的 同时 ， 还 可计 算 出通风 机风 量 、 功 率 、 效 率等参数 ； 采 用 P L C作 为测定 终端 系统的核 控 制部 件 ， 保 证 了整 个 系统的稳 定性 和可靠性 。 关键 词 煤矿 ；通风机 ；性 能测 定 ；测定终 端 ；PLC 中 图分类号 T D 6 3 5 文献标 识码 B Re s e a r c h o f M e a s u r i n g Sy s t e m o f Pe r f o r ma nc e o f M i n e Ve n t i | a t o r Ba s e d o n PLC Z HA0 Yo n g mi n g 一， J I ANG S h u g u a n g 一， W U Z h e n g - y a n 。 ， SHAO Ha o 一， CHI Hon g y ou 一 ．H AN Zi we i ， 1． S t a t e Ke y La bo r a t or y of Coa l Re s ou r c e a nd S a f e M i ni n g o f CUM T． ，Xuz ho u 2 21 00 8，Chi n a． 2． Sc ho o l o f Sa f e t y En gi n e e r i ng o f CUM T． ，Xu z ho u 2 21 1 1 6，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r ob l e ms of e x i s t i ng m e a s u r i n g s ys t e m o f p e r f o r ma n c e o f m i n e v e n t i l a t o r b a s e d o n 收 稿 日期 2 0 1 0 0 7 2 3 作者简介 赵勇明 1 9 8 6 一 ， 男 ， 四川 I 巴中人 ， 中国矿业大学安全 工程学 院在读硕士研究 生， 主要研究方 向为安全监测监控 。E ma i l z h i 6 1 0 1 2 6 ． c o rn 从 图 7 可 以看 出 ， 电压 激励 信 号 波形 反 映 了程 控 电源 在被测 调压 器 控制 下 的输 出 电压 变化 情 况 。 通 过 被 测 波 形 和 E x c e l 表 格 记 录数 据 ， 测 试 人 员 一 方 面可 通过测 试软件 自动计 算调 压器 的调压指 标 瞬态 调整 率 、 稳 态 调 整 率 、 波 动 率 、 稳 定 时 间 等 ， 另一 方面 可 以将 测试所 得指标 与其 它被测 调压器 指 标进 行 比较 ， 从而 更 全面 地 了解不 同调 压器 之 间 的 性能 差别 。 4 结 语 介 绍 了 基 于 L a b wi n d o ws ／ C VI的 AVR 通 用 测试 系统 的构成 和原 理 。相 比于传 统 的励 磁调 节器 测试 系统 ， 该 系统具 有 测试 项 目齐 全 闭环 、 动 态 性 能均 可 以测 、 测试 周期 短 、 通 用性强 等诸 多优点 ， 具 有较强 的工程 实用性 。 参 考文 献 [ 1 ] 李基 成． 现代 同步 发 电机 励磁 系统 设计 和应用 [ M] ． 北京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 梁志成 ， 马献东 ， 王力科 ， 等． 实时数字仿真器 R TD S及 其应用r J ] ． 电力系统 自动化 ， 1 9 9 7 ， 2 1 1 O 6 1 6 4 ． [ 3 ] 高景德 ， 张麟征． 电机过渡过程的基本理论及分析方法 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 1 9 8 5 ． [ 4 ] 陈超英 ， 李永丽 ， 张艳霞 ， 等． 输 电线路任意点故 障的数 字仿真r J ] ． 中国电机工程学报 ， 1 9 9 5 6 3 9 8 4 0 5 ． E 5 ] 刘承 榆 ， 刘维友 ． 同步发 电机 参数和 试验 的数字 仿真 E J ] ． 天津大学学报 ， 1 9 9 4 ， 2 7 1 7 7 8 2 ． [ 6 ] 凌敏． 基 于 G P I B技 术的 电子技术 自动综合 测试平 台 的设计[ D ] ． 成都 西南交通 大学 ， 2 0 0 7 ． [ 7 ] 杨 润生 ， 张素 宁 ， 邵 天章． 3 G FD W7型发 电机 组构 造 、 原理 、 维修 [ M] ． 石 家庄 军械 工 程 学 院 出版 社 ， 2 0 04． 2 0 1 0年 第 1 1 期 赵 勇 明等 基 于 P I C 的矿 井通 风机性 能 测定 系统 研 究 3 7 M CU s u c h a s c o rn p J e x p r og r a m mi n g， c o mpl i c a t e d gr a s pi ng an d l ow s t a b i l i t y a nd r e l i a b i l i t y， t he p a pe r i nt r o du c e d a de s i g n o f m e a s u r i ng s y s t e m of p e r f o r m a n c e of mi ne v e n t i l a t or ba s e d on PLC．I t i nt r od uc e d wo r k i n g p r i nc i pl e ，ha r d wa r e c o m p os i t i on a n d s o f t wa r e d e s i gn o f t he s ys t e m i n de t a i l s．The s ys t e m a d op t s di s t r i bu t e d m e a s u r i ng m e t ho d， whi c h c a n c o m p l e t e r e a l t i m e c ol l e c t i o n of p a r a m e t e r s o f wi n d s p e e d， r e l a t i v e s t a t i c p r e s s ur e，a xl e t e mpe r a t ur e，a t mos ph e r i c pr e s s u r e ，p ha s e c ur r e nt a n d pha s e vo l t a g e of mi ne ve nt i l a t o r，m e a nwh i l e c a n c a l c ul a t e a i r v ol u m e ，po we r a n d e f f i c i e nc y o f m i n e v e n t i l a t or ，e t c ．The s y s t e m us e s PLC a s t he c or e c on t r oI u ni t f or t e s t i ng t e r mi na t i o n，whi c h g ua r a n t e e s s t a b i l i t y a n d r e l i a bi l i t y of t he wh ol e s y s t e m ． Ke y wo r ds c o a l m i n e，v e nt i l a t o r ，p e r f o r m a nc e me a s u r e me nt ，t e s t i n g t e r mi na t i on，PLC 0 引 言 煤矿 安 全规程 规 定 “ 新 安装 的主 要通 风机 投 入使 用前 ， 必 须进行 1次通 风机 性能 测定 和试 运 转 ， 以后 每 5年至 少进 行 1次性 能 测 定 。 ” 目前 ， 测 定 系 统大 多基 于单 片机 设计 口 ] ， 这 需要 编程 人员 自行 构 造 R S 2 3 2接 口， 系 统 程 序 大 多 采 用 汇 编 语 言 ， 难 度 大 ， 不 易懂 ， 编 写 困难 ； 并 且单 片 机受 环境 影 响大 ， 其 稳 定性 和 可靠 性有 待 提 高 。为 此 ， 笔 者 设 计 了 一 种 基 于 P I C的 矿 井 通 风 机 性 能 测 定 系 统 ， 采 用 P L C 作为测控终端 ， 具有编程简单 、 采样精度高和抗干扰 能力 强等 特点 ； 同时 对上 位机 的程序 重新 设计 ， 使 界 面更加 友 好 ， 功 能更 加 齐 全 包 括 数 据 的 输 入 与保 存 、 查 询 、 绘 制 曲线 、 报表 输 出等 。 1 系统工 作原 理 根 据 通 风机 测 定 工作 环 境 复 杂 多 变 、 涉及 参 数 多 等特点 ， 基 于 P L C的矿 井通 风机 性 能测 定 系 统选 择 主从分 布 式方式 对 现场 主要 通风 机 的运行 参 数进 行测 定 。系 统通过 各个 模块 的协 同工作 完成 对 通风 机参 数 通风 机工 作 风 量 、 转 速 、 工作 风 压 、 电气 参 数 电动 机 的 相 电流 、 相 电压 、 输 入 功 率 、 输 出 功 率 等 、 环境 参数 主 要通 风机 装置 进 、 出 口空气 的温 度 和湿 度 、 大气压 力 等 的测定 。 本 系 统通 过测 定终 端模 块之 间 的协 同工作 完成 对相关 传感 器 信号 的采 集 ， 同时 ， 多个 测定 参数 实 时 存储并 上 传至 上位 机 ， 上 位 机 对 收到 的数 据 按 照 程 序设计 进 行 处 理 ， 实 现 对 通 风 机 特 性 的 实 时 显 示 。 本测定 系 统采 用 P L C控 制 系 统替 代 以往 的单 片 机 系统 ， 在采样精度、 通信质量、 环境适应性等方面都 有较 大 的提高 。 2系统硬 件设 计 基于 P I C的矿 井 通 风 机 性 能测 定 系统 硬件 主 要包 括现 场测 试终 端 系 统 和 上 位 机 2个 部分 ， 系 统 硬件 组成 如 图 1所 示 。 通信总线 霎 ．． 毒 I 风 Il大 Il轴 I温 7 - 2 0 0 2 号1 N 图 1 基 于 PI C的 矿 井 通 风 机 性 能 测 定 系 统 硬 件 组 成 1 现场测 试 终端 系统 现 场 测 试 终端 系 统 由终 端 主 机 和传 感 器 组 成 ， 终 端主 机又 分为 测 风 模块 、 电气 参 数 测 定 模 块 以及 静 压 、 轴 温 和 电动机 转 速 测 试模 块 3个 部 分 。其 中 测风模块与静压 、 轴温和电动机转速测试模块采用 P I C作为 核心 控制部 件 ， 主要 由 P L C 8 7 2 0 0 、 扩 展模 块 E M2 3 1 、 各 种接 口等 组 成 。E M2 3 1将 采集 到 的风速 、 大 气压 、 转速 、 静压 信 号进行 数模 转换 ， 再 由通 信模 块传 输到 S 7 2 0 0中 ； 电气 参 数 测定 模 块 采用 E D A9 0 3 3作 为核 心 部件 ， 完 成对 电动 机 电压 、 电流 、 功率 等 电参数 的采 集 ， 采集 到 的电动 机参 数 由 E DA9 0 3 3自带 的 通信 模 块 传 输 至上 位 机 。系 统 中 还 选用 了大 量 的 传 感 器 ， 如 风 速 传 感 器 、 转 速 传 感 器 、 温 度传感 器 、 压 力 传感 器等 ， 并通 过 电缆 与 测 试 终 端连 接 。 2 上位 机 考 虑 到 现 场 测 试 的 便 利 ， 本 系 统 选 用 联 想 S L 4 1 0 K作 为上 位机 。 上 位 机 是操 作 人 员 与 系统 联 系 的媒 介 ， 通 过 上 位 机软 件 的运行 ， 对 现场测 试终 端 系统进 行 管理 ， 收 集 每个 现场 测试 终 端 系统 的数 据 ， 并 对 它 们 进 行 处 理 ， 最后 在显 示器 中直 观地 呈现 出来 。 3 8 工矿 自动化 2 0 1 0年 1 1月 3系统软件 设计 基 于 P L C的矿 井 通 风 机性 能测 定 系统 软件 主 要 由上 位机 软件 、 现 场测试终 端 软件 2 个 部分 组成 。 上位机 软件 主要 实 现用 户 界 面 的绘 制 、 通 信 功 能 的 实现 、 实时和历 史数 据的打 印等功 能 ； 现 场测试 终端 软件实现对现场各传感器检测到的信号进行采集、 存 储 、 计 算等 功能 。 3 ． 1上 位 机 软 件 系统上 位机 软件选用 Vi s u a l B a s i c 6 ． 0 以下 简 称 VB 6 ． 0 作 为开发语 言 j 。 3 ． 1 ． 1 用 户界 面的设计 1 欢迎界 面 的设 计 系统启 动 后 ， 首先 会 出现 欢 迎界 面 。5 S 后 ， 该 界 面 自动 消失 ， 用 户主界 面 出现 。 2 用户主 界面 的设 计 在用户 主界面 设计过程 中使用 了大量 的 I ma g e L i n e 控件和 P i c t u r e B o x控件。该界面主要包括工 具 栏模块 、 实 时监测数 据显示 模块 、 风机性 能 曲线绘 制及显示模块 、 系统通信状态显示模块、 测点工况参 数显示模块。 3 ． 1 ． 2上位机 功能模 块 的软件设计 1 通信模 块 的设计 VB用于 实现 串行通信 主要 有 A P I 函数 、 D D L、 采用 VB的通信 控件 MS C o mm 三 种方 法。由于 VB 6 ． 0编程环境下的 MS C o mm通信控件提供了标 准 的事件 处理 函数 、 过程 ， 并通 过属性 的方法 提供 了 串行通 信参 数 的设 置 ， 可 以较 容易 地 解决 串 口通信 问题 ， 因此 ， 采用 VB 的通信 控 件 MS C o mm 实 现上 位机 的通信 功能 。 通 信开始 时 ， 首先 设置 MS C o mm 控 件 波 特率 为 9 6 0 0 b i t ／ s ， 通信 端 口为 C O M4口， 其 它 为默 认 值 。然后 打开 通信 端 口读 取 下 位机 数 据 串 ， 将 数 据 串分解 ， 并转换 成 相应 数 值 ， 赋 给相 应 变 量 ， 最后 结 束通信 。 程 序 设 计 了 C o mmu n i c a t i o n C o n n e c t函 数 ， 首 先 判断通 信模块 是否 成功实 现连接 ， 通信连 接后 ， 将 缓 冲区清 零 ， 即 将 I n B u f f e r C o u n t 的值 设 为 0 ； 程序 根据 相应 的指 令 、 不 同 的握 手 信 号字 符 s t r S i g n来 读取 与之相 对应 的测试终 端采集 到 的信息 。 2 数据处 理模块 的软件 设计 数 据处理 包括数 据 的输入与 保存 、 查 询 、 绘 制 曲 线 、 报表 输 出等 。这也 是 本 系统 上 位机 软 件 设计 的 核心 内容 。 a 数据输入与保存 在本 系统软件设计中， 考 虑 到需 要处理 的数 据 量较 大 ， 选 择 用数 据 库来 存 储 数 据 。此 外 ， 采 用数 据 库来 存储 数 据 的方 式 也可 以 实 现程 序 将 来 能 扩展 数 据 计 算 和 图表、 曲线 的 Of f i c e 文 档生 成 等 功 能 。在 软件 设 计 中 ， 通 过 编 程 方式控制 Ac c e s s软 件按照系统 的要求进行 工作 。 程序运行 后 ， 通 过 C o mmu n i c a t i o n C o n n e c t函数 不 断采 集测 试终端 的数据 ， 并 在 主 界 面相 应 位置 显 示 出来 ， 但没 有立 即保存 ； 当按 下主界 面 的“ 添加” 按 钮 时 ， b o o s a v e 置位 ， 该测 点 的所 有数 据 均 存人 数 据库 并触 发 Ti me r 事 件 ， 延 时 0 ． 2 S 后 ， b o o s a v e 置反 ， 以 免下次 T i me r 事 件 时再 继续 保存该 组数据 。 b 数 据 查 询 数 据 的查 询 实 际 上 就 是 通 过 一 系列的程序指令 ， 将存储在数据库中的历史数据 读 取 出来并完 成 相应 的处 理 例如 曲线 的绘 制 等 。 为此 ， 编制 了 O p e n P r o j e c t函数 。该 函数 实 现 了与 数据库 连 接， Ad o d c l控件和 D a t a Gr i d l控件 绑定 旨在显 示数据 库 内容 ， 从 数据 库 中读 出绘 图 区 的 颜色风格 和坐标极值 ， 调用 绘 图模块 完成绘 图等 功 能 。 c 绘 制 曲线 通风 机特 性 曲线 的绘 制 ， 即通 过 给定 的通 风机 性能参 数表 或测定 的大于 3组取样 点 进行 拟合得 出通 风 机 的风 量 一压 力 特 性 曲线 、 风 量 一 功率特性曲线 、 风量一效率特性曲线的函数关系 式。程序中采用最／ b Z． 乘法进行 曲线的拟合，拟合 结果为 a b x C J 7 的二次函数形式 ] 。 曲线 的最小 二乘法 拟合 曲线方 程的构造 和二次 曲线 系数 的方 程 求 解 分别 通 过 C o n i c P a r a C a l e函数 和 Ma t r i x C a l c 函数 来 完成 。调 用这 2个 函数 可 分 别计算形如 一口 6 z c z 的二次拟合曲线的系数 a、 6 、 c的值 。 经 过 图片框初 始化 和二次 拟合 曲线 参数求 解后 得 到形如 n 6 zC J C 。的 函数式 ， 通 风 机特 性 曲 线 的显示 功能 由 D r a wF a n C u r v e函数 来实现 。 d 报 表输 出 本 系 统 软件 在 报 表 输 出 的设 计 过程 中 ， 预 先 使 用 Wo r d软 件 建 立 报 表 模 板 文 件 F a n No r ma 1 ． d o t ， 并按照需求排列好文件中将要输 出 的数据 、 图形 、 表 格等 的位 置 ， 在 相应 位置 插 入 书 签 ， 并 做相应 排版 。需 要输 出报表 时 ， 通过调用 模板 文件 F a n No r ma 1 ． d o t ， 根据输 出数据类型查找书签， 确定要输出数据的位置 ， 然后将数据插入文档 ， 直接 打 印输 出 即可 。 如 果需 要 输 出每 日全部 测 定数 据 ， 可直 接调 用 E x c e l 软件生 成报表 并打 印输 出来 。 2 0 1 0年 第 1 1 期 赵 勇 明等 基 于 P L C的矿 井通风机 性 能测 定 系统研 究 3 9 3 ． 2现场 测试 终 端软 件设 计 现场测 试终 端 软件 主要 分 为 3 个 模 块 风速 、 大 气 压力 、 轴 温测 定模 块 ， 相对 静 压 、 转 速 、 轴温 测定 模 块 ， 电气 参 数测定 模 块 。 1 风速 、 大气 压力 、 轴 温测 定模 块 本模 块 的 P L C程 序 包 括 主程 序 和 一个 中 断 程 序 。主程序 包括 初 始 化 程 序 设 定 本 模 块 与 上 位 机 的通 信协 议 ， 建立 主程 序 与 中断程 序 的连接 条件 ， 设 定发 送数 据 的总 长度 、 数 据 发 送 成 功 的 标识 字符 ， 对通 风机 风 速 、 大 气 压 力 和 轴 温 的 采 集 及存 储 程 序 等 ； 中断 程序 主要 功 能 是 判 断 上 位 机 发 送 的数 据 发 送信号， 收到与本 模块对应 的信号 ， 中断程 序运行 时 ， 主程序开始向上位机发送设定长度的数据 ， 然后 等待 下一 次发 送信 号 。本模 块 主程 序 流程 如 图 2所 示 ， 中断程 序 流程 如 图 3所 示 。 图 2风速测定模块 主 程 序 流 程 图 3风速测定模块 中断 程 序 流 程 2 相对 静压 、 转 速 、 轴 温测 定 模块 本 模块 的程 序 包括 主程 序 和 3 个 中断程序 。主 程序包 括初 始化 程 序 设 定 本 模 块 与 上 位 机 的 通 信 协议 ， 建立 主程 序 与 中断程 序 的连接 条件 ， 设定 发 送 数 据 的总长 度 ， 设 定 相对 静压 、 转 速和 轴温 的存 储位 置 和数 据发 送成 功 的标 识 字符 ， 置 位 转 速 脉 冲 信 号 的发送 时钟 等 和相 对静 压 、 轴温 和转 速 的数据 采集 程 序 。 中断 程序 I NT 一 0主 要 功 能 是 采 集 通 风 机 转 速脉冲信号并存储在 起始位为 VW5 0 0的存储 区； I NT _ 1 则 主 要 完 成 VW2 0 0 0的 自动 累 加 的 功 能 ； I NT 一2用 来 检 测 上 位 机 的数 据 发 送信 号 。该 模 块 主程序 的 流程 图与 图 2 类 似 。 3 电气参数测定模块 本模 块采 用 E D A9 0 3 3完 成 对 电动 机 电 气参 数 的测 定 。在测 定参 数前 ， P L C要对 E D A9 O 3 3 A 的地 址 和 波特率 进 行初 始 化 ， 将 模 块 与 网 络 的 波特 率 设 为一致 ， 无 地 址 冲 突 与 网 络 已有 模 块 的 地 址 不 重 叠 。配置 一 块 带 有 E DA4 8 5转 换 器 、 RS 2 3 2通 信 口的计 算 机和 E DA9 0 3 3 A应 用软 件 的模块 。 程序开始后首先 读取模块 名 ， 若 是 9 0 3 3则 将 E D A9 0 3 3模 块 的 地 址 置 为 O 1 H， 波 特 率 置 为 0 6 H 9 6 0 0 b i t ／ s ， 发 送 “ O 1 A” 到 E D A9 0 3 3 ， 读 取 E DA9 0 3 3各 项 功率 ， 然后再 发 。 送 “ 0 1 w ” 到 E D A9 0 3 3 ， 读 取 E D A9 0 3 3 累计 电量 ， 由上位 机将 得 到 的数 据进 行计 算 和转换 ， 最 终输 出数 据 。 若 模 块 名 不 是 9 0 3 3 ， 则 程 序 重 新 开 始 。 4 结语 基于 P L C 的矿 井 通 风机 性 能 测 定 系统 测 定 的 参 数 较全 面 、 可靠 ， 目前 已成 功应 用 于山西 寿 阳潞 阳 祥 升煤 业有 限公 司 、 兖 州 煤 业 股 份 有 限公 司东 滩 煤 矿 。系统具 有 如下 主要 特点 1 系统 可在 完成 对通 风 机风 速 、 相 对静 压 、 轴 温 、 大气压 力 、 相 电流 、 相 电压 等 参 数 实 时采 集 的 同 时 ， 还 可计算 出通 风 机风 量 、 功 率 、 效 率等 参数 。 2 采用 P L C作为 系统 核 心控 制部 件 ， 具 有 采 样 精度 高 、 兼 容性 好 、 集成 化程 度高 、 抗 干扰能 力强 、 可靠性高、 适应性强、 应用灵活 、 功能完善等特点。 3 采 用 E M2 3 1作为 数据 的采 集模 块 ， 可 同 时 实 现对 多路数 据 的采 集 和处 理 ， 大 大 提 高 了参 数 采 集 的效率 。 4 系统能 够 实 现 对 正 压 通 风 、 旋 风 机 的双 电 动机测 定 功能 。 参考文献 [ 1 ]何新建 ， 蒋曙光 ， 吴征艳 ， 等． 矿井 主要通风机性 能分 布 式测定系 统 的 研 究 E J 3 ． 煤 矿 安 全 ，2 0 0 8 1 1 5 1 7 ， 2 1． E 2 3胡 维 喜 ． 矿 井 主要 扇 风 机 性 能 分 布 式 测 定 系 统 的研 究 E D 3 ． 徐州 中 国矿业大学 ， 2 0 0 6 ． E 3 3王勇． 基 于单 片机 的矿井 主要扇 风机 的在线监 测 系统 的研究 E D ] ． 徐州 中国矿业 大学 ， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 吴征艳 ， 蒋曙光 ， 何 新建 ， 等． 矿井 主要 通风机性能分 布 式测 定系统的开发E J 3 ． 煤矿安全 ， 2 0 0 6 1 0 3 4 3 7 ． E 5 3 莫卫 东． Vi s u a l B a s i c 6 ． 0高级 编 程 技巧 窗 口、 菜 单篇 [ M] ． 西 安 西 安 交 通 大 学 出 版 社 ， 1 9 9 9 ．