基于PLC的煤矿压风机自动控制系统(1).pdf

第 4期 2 O1 2年 4月 工矿 自 动 化 I ndu s t r y a n d M i ne Au t oma t i o n NO ． 4 AD r ． 2 O 1 2 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 2 0 4 0 0 1 3 0 4 基于 P L C的煤矿压风机自动控制系统 槐 利 ， 谭 一 川 ， 程 玉龙 1 ． 中煤科 工集 团重 庆研究 院 ，重庆4 0 0 0 3 9 ； 2 ． 瓦斯灾 害监控 与应 急技术 国家重点 实验 室 ，重庆4 0 0 0 3 7 摘 要 针 对煤 矿压 风机 采用人 工就地 控 制方 式存在 的 问题 ， 介 绍 了一 种基 于 P I C的 煤矿 压 风机 自动控 制系统的设计。该 系统 以 P L C为控制核心， 实现 了参数采集、 数据处理、 数据上传、 故障报警、 自动控制等 各种 功 能 ， 还 实现 了煤 矿压 风机 的无人值 守 ， 为 实现数 字化矿 井打 下 了 良好基 础 。 关键词 煤矿压风机 ； 参数监测 ； 故障报警；自动控制；无人值守； P L C 中 图分 类号 T D6 3 7 文献标 识码 B 网络 出版 时间 2 0 1 2 0 4 0 5 1 0 0 9 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 2 0 4 0 5 ． 1 0 0 9 ． 0 0 4 ． h t ml Au t o ma t i c Co nt r o l Sy s t e m o f Co a l M i ne Ai r Co mp r e s s o r Ba s e d o n PLC HU AI Li 一． TAN Yi c hu a n 一， CH ENG Yu l o ng ， 1． Cho ng q i ng Re s e a r c h I ns t i t ut e o f CCTEG ． ，Cho ng q i ng 40 0 0 39，Chi n a．2． The St a t e Ke y La bo r a t o r y o f Ga s Di s a s t e r M o ni t o r i n g Te c hno l o gy a nd Eme r g e n c y Re s p o ns e Te c hno l o gy，Cho ng qi ng 4 0 0 0 37，Chi n a Ab s t r a c t I n v i e w of pr o bl e m o f a r t i f i c i a l l oc a l c on t r ol mo de of t r a di t i o na l a i r c omp r e s s o r ， t h e p a pe r i nt r od uc e d a d e s i gn o f a u t o m a t i c c o nt r o l s y s t e m o f c o a l mi ne a i r c o m p r e s s o r ba s e d o n PLC． The s ys t e m u s e s PLC a s c o nt r o l c or e ，whi c h a c hi e ve s f un c t i on s of pa r a m e t e r s a c q u i s i t i o n，d a t a p r o c e s s i ng，da t a r e mo t e t r a ns mi s s i o n，f a u l t a l a r m ，a ut o m a t i c c o nt r o l a nd S O o n，a n d t h e s y s t e m a l s o r e a l i z e s unma nne d o n d ut y f or c o a l m i n e a i r c o mpr e s s or t o l a y a go o d f o un d a t i o n f o r d i g i t a l mi ne ． Ke y wo r d sc o a l mi ne a i r c o m p r e s s o r ， pa r a m e t e r s mon i t o r i n g， f a u l t a l a r m ， a u t o ma t i c c on t r ol ， u nma n ne d on d ut y，PLC 0 引言 煤 矿压 风机 担负着 井下 生产所 用 的风镐 、 风钻 、 掘进机 等气 动机 械所 需 的压 缩 空气 ， 承 担 着 矿 井 的 压缩 空气生 产任 务 ， 为煤 炭 生产过 程提供 风 动力 。 传 统 的压风 机控制 多数 采用 的是人 工就 地控制 方式 ， 压风 机 的启动 与停止 、 冷却 水系统 的运 行与关 闭都需 要 由人工 来完 成 。但 压风 机需要 根据 风包 的 压力 频繁启 停 ， 且压 风 机 房 温度 高 、 噪 声 大 ， 工 人 容 易产 生疲 劳感 ， 不利 于煤 矿 的安全 生产 ； 单纯 靠人 工开停 机 不能很 好 控制 压 风 机 的运 行 时 间均 等 ， 很 难保证压缩空气 的供气质量 ， 也不利于对压风机的 维护 管理 ， 对压 风机 的使用 寿命有 很 大影 响 。 笔者设计了一套基于 P L C的煤矿压风机 自动 控制 系统 。该 系统 的实施能 使井 下风镐 、 风钻 、 掘 进 机等 气动机 械设 备 运行 安 全 可靠 ， 提 高 了矿 井 自动 化监控水平 ， 降低 了事故率， 达到管控一体化， 为实 现数 字化现 代矿 井打 下 良好 的基 础 。 1系统整 体 结构 基于 P L C的煤 矿 压 风 机 自动 控 制 系统 是 针 对 老式 压风机 设 计 的 。老 式压 风 机 采 用水 冷 活 塞 式 、 两级排气方式， 结构 复杂 ， 只有简单 的一些模 拟仪 表 ， 例如一 级 、 二级 排气 压 力 等 ， 压 风 机 的启 动 和 停 止采 用手 动方 式 。 该 压风 机 自动控 制 系统 主 要 由调 度 室工 控 机 、 P L C主控制柜 、 压力传感器、 温度传感器 、 开停传感 器 、 风包 排污 管路 电动 阀 、 高压 控制柜 综合 电量采 集 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 0 9 基金项 目 中煤科 工集 团重庆研究院科研项 目 C K1 0 1 8 作者简介 槐利 1 9 7 7 一 ， 男 ， 山西 阳泉人 ， 工程师 ， 硕士 ， 现主要从事煤矿 自动化方面的研究工作。E ma i l h u a i l i 一 9 2 6 1 6 3 ． c o rn 1 4 工矿 自动 化 2 O l 2年 4月 模 块等 组成 ， 结构 如图 1所示 。 压 厉 l压 厉 L压 风 机压 风 机压 风 机 图 1 基于 P I C的煤矿压风机 自动控制系统结 构 系统 通 过 P I C及 控 制 网络 采 集 现 场 设 备 开／ 停 、 设 备运行 参数 及 故 障状 态 、 电动 机 电压 、 电流 等 实时数 据 ， 同时显 示压 风机 的各种运 行参 数 ， 控 制压 风机 运行 。 地 面 远程 调 度 中心设 置 1台工控 机 ， 作 为监 控 上位机 ， 通过 以太 网连 接 在 网 络交 换 机 上 。上位 机 软件 在西 门子 Wi n C C组 态 软件 的基 础上 进 行 二 次 开发 ， 用户可以方便快速地构造不同需求 的数据采 集 与监控 系统 。工 控 机 和 组 态 软 件 具 备 以太 网 和 P C接 口。 1 P I C控 制柜 现场 P I C控制 系统 选 用 西 门 子 S 7 2 0 0 P I C 作 为监 控 核 心 ， 它 具 有 多 种 功 能 模 块 和 人 机 界 面 HMI 可 供 选 择l 2 ] ， 其 模 块 化 结 构 ， 配 置相 应 的 通 信 接 口与上位 计 算机 进 行通 信 采 用 P r o f i b u s 或 工 业以太网 ， 系统配置合理， 技术可行 ， 完全可以满足 现 场使 用要 求 。该 部 分 主 要 是 根 据设 定 的 操 作 方 式 ， 实 时采集 总管 空 气压 力 自动控 制 各 台压 风机 运 行及 保 护功 能 。 P I C控制 柜 内安 装 有 P I C、 模 拟 量 扩 展 模 块 、 通 信 扩 展 模 块 、 触 摸 屏 、 继 电 器 、 接 线 端 子 、 开 关 电 源 、 空 气开 关及 避雷器 、 温度 巡检 仪 、 各 种按 钮 、 指示 灯等器 件 。由于在本 次设计 中需 要采集 的模 拟量较 多 ， 所 以 P I C控制 柜 内安 装 1台采 集 分 站 ， 用 于模 拟量 采集 和传输 。 P I C控 制柜 门板 上安 装 有触 摸 屏 ， 极 大 地 方便 了用 户 的操 作 以及对设 备状 态 的实时监 控[ 3 ] 。通 过 触摸 屏可 以方便 地 查 看压 风 机 的各 项 参 数 ， 进 行 参 数 的设定 以及进 行就 地控 制 。 P I C控 制柜 内部结 构如 图 2 所 示 。 DC DC PLC CPU22 6CN D C 1 M 1 O ．0 1 O 1 1 O 2 1 O ． 3 1 0 ． 4 1 O． 5 1 Q Qo 0 qo ． 1 Q0 ． 2 Q0 3 2L __r N 声光报＼ ■一警输出I L 冒硎 I 囟 _ L n I 图 2 P1 C控 制 柜 内部 结 构 2 各种 传感 器 现场传感器实时采集现场物理量号 ， 输出标准 4 ～2 O mA 电流 信 号 ， 并 配 以二 线制 R VVP电 缆单 独 传送 到 P I C控 制 柜 。本 系 统 现 场 使 用 的传 感 器 较 多 ， 如压力 、 温度 、 电流 、 电压 、 功 率 、 电量等 。各 种 传 感器 的安装 位置 如下 ① 在 一 、 二 级 气 缸 安 装 温 度 传 感 器 ， 监 测 一 、 二级排 气温 度 ； ② 在一 、 二 级 气 缸 安 装 压 力 传 感 器 ， 监 测 一 、 二级 排气压 力 ； ③ 在风包 上安 装温 度传感 器 ， 监测 风包 温度 ； ④ 在水 泵冷 却水 进水 管路 上 安装 温度 传感 器 ， 监测冷却水进水温度 ； ⑤ 在 水 泵 冷却 水 出水 水 管路 上 安 装 温 度传 感 器 ， 监测冷 却水 出水 温度 ； ⑥ 在 冷却水 入 口管 路安 装供 水状 态传 感 器 ， 监 i jn, 0 冷 却水 管路 工作状 态 ； 一 一 一 一 一 一 ～ 一 一 ㈣ 一 一 一 一 一 一 百 卜 l 。 l _ l n l 寸 l 卜 I 。 l l 坚虽 I 蚤 I 墨 I墨 I lL 2 0 1 2年 第 4期 槐 利等 基 于 P I C的煤矿 压风机 自动控 制 系统 1 5 ⑦ 在压风机齿轮油泵排油管路上安装压力传 感器 ， 监测 压风 机油压 ； ⑧ 在后 冷却 器 和风包 之 间安装 压力 传感 器 ， 监 测分 管路 压力 ； ⑨ 在总管路出口安装压力传感器 ， 监测总管路 压 力 ； ⑩ 在供 电电路上安 装 开停传 感器 ； ⑩ 电动机 电压 、 电流 、 功 率 因数 、 有 功 功 率 、 无 功功率 等 电量参数 由综 合 电量 采 集 装 置采 集 ， 综 合 电量采 集装 置通过 RS 4 8 5总线 连 接起 来 ， 再 连 入采 集分 站的 R S 4 8 5接 口； ⑥ 安装 1台温 度、 湿 度传感器 ， 监测 环境温 、 湿度 。 2系统软 件设计 2 ． 1 PL C软 件 设 计 根据 各压 风机 控 制 要 求 不 同 ，由 P I C 来 完 成 各种 不 同的信 号控制 、 信号 的传送 和 闭锁功 能 ， 并 把 数据 送给 上位计 算机 来显示 各种 所需 参数 ] 。 P L C程 序使 用 西 门 子公 司简 单 标 准 版 S TE P 7 编 程软件 S TE P 7 一 Mi c r o ／ WI N编 辑 。本 次设 计 中采 用模 块化 方式 进行 软件编 写 ， 把 功能 相似 、 结 构 大致 相 同 的 程 序 编 写 成 通 用 程 序 模 块 。通 过 组 织 块 OB 、 功能 块 F B 、 F C 、 数 字块 D B 等 模块 之 间 的 调用 ，可 以实现 复杂 的控 制算 法 ，而程 序 结 构简 洁 明了 。 在设 计 软件前 ，需 在 S T E P 7软件 中进 行 硬 件 组 态 。将 C P U、 电源和信 号模 块等 设 备安 装 到相 应 的机架 上 ，并 对 P I C硬 件 参 数 进 行 设 置 。为 了减 少扫描时间 ， 使用 S TE P 7中硬件组态工具屏蔽未 用 的模 拟量输 入通 道 ，在硬 件上 还需 将 未用 的通 道 的输入端 短路 ，这样也 就加 强 了系统 的实 时处 理能 力 _ 4 ] 。压 风机 自动控 制 系统程序 流程 如 图 3所示 。 2 ． 2上位机 软件设 计 - f 本 次设 计 中 ， 上位 机 编 程采 用 西 门子 专 业组 态 软 件 W i n C C V6 ． 0 S P 3 一 AS I A 为 开 发 平 台 ， 进 行 二 次开 发 ， 自主研 发 的压 风 机 自动控 制 系 统 人机 操 作 界 面友好 ， 方便对 生产 数据 进行处 理 ， 对全厂 的生 产 提供 指导 ] 。 该 系统 设计 了多 个 监 控 界 面 ， 包 括 压 风 机 集控 界 面 、 压风 机参数 界 面 、 风 机 效能 曲线 界 面 、 报 警查 询 界 面 、 报 表 查 询 界 面 等 。 上 位 机 软 件具 备 压 风机 图 3 压风机 自动控制 系统程序流程 远程 控制 功能 ， 设置 了操作 权 限和密码 ， 防止非专 业 人员 误操 作 。压 风机 自动 控制 系统 集 控 界 面如 图 4 所示 。 图 4 压风机 自动控制系统集控界面 3 系统 功 能 1 可 以监 控压 风机排 气压 力 、 排气 温 度 、 管道 流量 、 管 内压 力等 参 数并 将 数 据 实 时传 输 到 调 度计 算 机监 控 中心 ， 并 提供 以上数 据 的历史数 据查 询 、 报 警 信息 查询及 报 表打 印功能 ； 2 可 以提 供 电动机 电压 、 电 动机 电流 、 电动机 功率 、 压风机运行状态等主要监测数据 的报表打印 功能 ； 3 能绘 制各 参 数 随时 间变 化 曲 线 ， 如 电动机 电压 一时 间 、 电 动 机 电流 一 时 间 、 电 动 机 功 率 一 时 间 、 压 风机 出 口压 力 一时 间 曲线 等 ； 1 6 工矿 自动化 2 0 1 2年 4月 4 能在 线显示 压 风机风 量 曲线 、 压力 曲线 、 温 度曲线等 ， 以观察 它们 的变化趋势 ； 实时显示 、 记录 所监测 的各 个温 度 、 压 力值 ， 绘 制 曲线 ， 并 提 供 历 史 数 据查询 ； 5 监 测参 数和技术指标 三相 电流 、 三相电 压 、 有功功率、 无功功率、 有功电量 、 无功电量 、 功率 因数 、 频 率等参 数 ， 并 根据 各个参 数 的实 际情 况具 有 报警 、 超高报警 、 延时停机等功能； 6 显示 系统 的实 时报警 信 息 ， 实 时报 警打 印 ， 并提供历史报警信息查询 ； 7 可查 询 过 去所 有 的 、 或某 段 时 间 内 的 已记 录的数据 并 可以进 行数据 打 印 ； 8 具 备手 动／ 远 控 2种控 制 方式 ， 能够 对压 风 机 等设 备进行 远程 启停控 制操 作 ； 9 经 过一设 定 时间后 ， 自动切 换 主备 风机 ， 自 动平衡各机组的使用时间， 提高机组寿命 ； 1 0 在 自动集控 工作方 式 时 ， 系统 根据 设定 的 供 气压 力值 ， 自动 控制卸 荷或 加载 ， 当风压 达 到设定 值时 ， 自动停机 卸荷 ； 当风压降到低值时， 自动启 动或 关 闭卸荷 阀 ； 1 1 系统 具 有 O P C接 口， 可 以接人 全 矿井 综 合 自动化 监控 系统集 成平 台 。 4 系统应 用 攀 煤集 团 小 宝 鼎 矿 配 备 有 5台老 式 地 面 压 风 机 ， 1台是 江西气 体压 缩 机 厂 生产 的 ， 3台是 重 庆 东 方 气体 压 缩 机 厂 生产 的 ， 1台是 沈 阳气体 压 缩 机 厂 生产 的， 其 型 号均 为 4 I 一2 o ／ 8 ， 其参 数 功率 为 1 1 8 k W ， 排 气量 为 2 1 ． 5 m。 ／ rai n ， 转速 为4 0 0 r ／ mi n ， 该 压风 机为 活塞式 。5台 哈尔滨 电机 厂生 产 的 电动 机 型号 为 J R1 2 7 8 ， 功率 为 1 3 0 k W ， 工 作 电 压／ 电 流 为 3 8 0 V／ 2 5 3 A。 由于压 风机 的各 种运行 数 据没 有 直接 显示 ， 不利 于压 风机 的安全 运行 。因此 ， 该 矿 安装 了基 于 P I C的煤矿压 风机 自动 控制 系统 ， 用 于 实 时监测压 风机 运 行 参数 ， 如压 风 机 冷却 水 进 水 温 度 、 压风机冷却水流量 、 一级排气温度、 二级排气温 度 、 风包 温度 、 电动机 温度 、 一级 排气压 力 、 二级排 气 压力 、 风包 压力 、 润滑 油温度 、 压 力等 ， 并 将 压风机 的 各种 运行状 态参 数在 压风机 房监 测室 显示 、 报警 ， 通 过交 换 机 进 入 全 矿 井 综 合 自动 化 监 控 系 统 集 成 平 台 。 现场 每 台电动 机 对应 1个 高压 启 动 柜 ， 高压 启 动柜 上有 3 个 电压互 感器 、 2个 电流互 感 器 ， 每 台 电 动机有 1个励磁柜。每台压风机都需安装测量风压 的装 置 ， 每 台电动机 都安 装有 1 个 开停传 感器 ， 监视 电动机 开停状 态 ， 每 台 电动 机 已 预埋 了定 子绕 组 温 度传感器 、 前 、 后轴承温度传感器。当监测到润滑油 压力 小 于 0 ． 2 5 MP a 时停 机 ， 润滑油 温 度大 于 6 O℃ 报警 ， 一 级排气 压力 大于 0 ． 2 4 MP a时报 警 ， 二级 排 气 压力 大 于 0 ． 7 5 MP a时 停机 ， 二 级 排 气 温 度 大 于 1 6 0℃时停 机 ， 风包 温 度 大 于 1 2 0℃ 时停 机 。实 现 对 整个 压风机 的遥 测 、 遥 控 。 5 结 语 基 于 P I C的煤 矿 压 风 机 自动 控 制 系统 实 现 了 压风机参数采集 、 数据处理、 故障报警 、 自动控制等 各种 功能 。 目前 ， 该 系 统在 攀煤 集 团 小 宝 鼎煤 矿 投 入使 用 ， 运行稳 定 ； 同时在 压风机 现 场安装 全方 位摄 像仪 ， 分别监视压风机、 配电室 、 值班室等地方 ， 实现 了压风机 的无 人值守 。 参 考 文 献 [ 1 ] 毕伟 ， 任 国华 ， 姚 连杰． 基于 P I C的压风机模糊控 制系 统设计 [ J ] ． 自动化与仪表 ， 2 0 1 1 7 4 5 4 9 ． [ 2 ] 王永 华 ， 宋寅卯 ， 陈玉 国， 等． 现代 电气控制 及 P I C应 用技术E M3 ． 北京 北 京航 空航 天大学 版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 史志鹏 ， 雷汝海 ， 靳文献 ． 触 摸屏在压 风机房 监控 系统 中的应用E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 1 5 8 8 9 0 ． E 4 ] 汪芬 ， 陈永生 ， 张寿明． 基于 P I C和 组态 王的煤矿压风 机监控系统E J ] ． 矿 山机械 ， 2 0 0 8 1 1 1 7 6 1 7 7 ． E s ] 王卫东 ， 田金云 ， 张成联． 基 于 s 7 3 0 0 P I C的煤矿 压 风机控制 系统 [ J ] ． 矿 山机械 ， 2 0 1 0 2 1 3 5 3 7 ．