基于PLC的煤矿主通风机监控系统.pdf

第 2 9 卷第 1 2期 2 0 0 8 年 1 2月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e l Vn 1 ． 2 9 N o． 1 2 De c．20 08 基于 P L C的煤矿主通风机监控系统 张培 ，尹洪胜 ，刘秀英 ，齐卫娟 ，房利国 ，魏宁 1 ． 中国矿业大学 信电学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ；2 ． 中国矿业大学 机电学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 详细论述 了以 P L C为测控核心的系统结构、 风机启动控制机制、 模拟量测量方法， 利 用 P I D模糊控制器实现风量闭环控制 ， 综合采用嵌入 式和 www 网络版组态软件形成上位机软件 冗余系统。该系统基于企业计算机网络， 实现了主通风机运行参数、 通风数据的实时监测与风机主 辅设 备控 制的一 体化 。 关键词煤矿 ；主通风机监控 ；P I D模糊控制 中图分类号 T H 4 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 8 1 2 0 1 2 6 0 3 M a i n Ve n t i l a t o r M o n i t o r i n g S y s t e m 0 f Co a l M i n e Ba s e d 0 n P L C Z H A N G P e i ， Y I N Ho n g s h e n g ， L I U X i u y i n ， Q 1 we i j u a n ， F A N G L i g u o ‘ ， WE I N mg ‘ 1 ． C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，C h i H a U n i v e r s i t y o f M i nin g＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 l 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f M e c h a n i c a l and E l e c t r o ni c E n gi n e e ri n g ，C h i D a U ni v e r s i t y o f M i ni n gT e c h n o l o g y 。 X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C hin a Ab s t r a c t De t a i l s t h e s t r u c t u r e，t h e v e n t i l a t o r s t a r t i n g c o n t r o l me c h a n i s m，an d t h e a n alo g me a s u r e me n t o f the mo n i t o rin g s y s t e m wi t h PL C a s t h e c o r e，wh i c h u s e s P I D f u z z y c o n t r o l l e r t o r e ali z e c l o s e dl o o p e o n t r o l o f a i r q u a n t i t y ．and u s e s t h e e mb e d d e d a n d t h e WWW c o n fi g u r a t i o n s o f twa r e t o f o r m an u p p e r c o mp u t e r s o f t wa r e r e d u n d an t s y s t e m ．Ba s e d o n I n t r a n e t the s y s t e m c o mp l e t e s r e al t i me mo n i t o rin g an d c o n t r o l l i n g t h a t i n c l u d e t h e ma i n a n d t h e a c c e s s o r i a l e q u i p me n t o p e rat i o n d a t a ，a i rq u an t i t y d a t a。an d t h e i r c o n t r o 1 ． Ke y wo r d s c o a l mi n e ；ma i n v e n t i l a t o r mo n i t o rin g；PI D f u z z y c o n t r o l 1 系统结构 系统结构包括 2 个部分 1 P L C测控 系统 采 用双 C P U模块 ， 辅以若干模拟 、 数字输入， 输出模块 ， 实时采集主通风机温度 、 风峒 、 气动及电气参数 ， 并 将用户通过上位机软件传来的控制命令传至电机、 变频器、 风门等被控对象。 2 上位机冗余组态软件 系统 将 P L C测控系统采集的实时数据按照生产实 际在上位机进行处理 ， 合理显示 ， 生成报表， 提供打 印功能等 ， 并在企业 I n t r a n e t 发布 ， 网络用户使用标 准 WE B浏览器实现远程监测监控。反过来 ， 将用户 发出的控制命令传至 P L C测控系统。 2 系统关键技术 2 ． 1风机启 动控 制机制 煤矿主通风机系统按照行业标准必须配置 2 组 风机 ， 其运行方式为一组工作 ， 另一组备用。目前一 组风机系统普遍装备 2台电机 ， 风量需求小时只启 动一台电机 ， 风量需求大时 2台电机以对旋方式 同 时运行。工作风机启动流程如图 1 所示。风机接到 启动指令时， P L C判断系统运行方式控制风机启动。 在变频运行方式下， 风机变频软启动， 以降低启动电 流， 减小对 电网的冲击 。电机 由零频率加速到设定 频率时 ， P L C控制风 门绞车开启风 门， P L C通过实时 采集风门的开 、 闭触点状态控制风 门绞车的运转 ， 以 避免风门提升不到位引起风机效率降低 。风门完全 开启后 ， 工作风机 电机 1 进入工作状态， 在双机对旋 运行方式下， 当电机 1的开启 电流小于额定 电流时 开启 电机 2 。 L 是 【 变频软启动 r-_ ] l 风机电机1 开启{ I 1 足 i 墨 图 1 风机启动流程 2 ． 2 风量 闭环 变频控 制机制 1 模糊 P I D控制系统结构 风量闭环变频控制系统的模糊 P I D控制结构如图 2 所示。风机风量期望值 r 与风机风量实际值 Y的误 差 e 卜． Y和误差的变化率 A e e n 一e n一1 ， 送 给 P I D控制器、 模糊控制器进行数据分析处理。模 一 l 2 6 筮 鲞箜 塑 基于 P L C I 煤矿主通风机监控系统张 培， 等 v o 1 ． 2 9 N 。 ． 1 2 糊控制器根据 e ， A e自适应调节 P I D控制器的运行 参数 ， 并 由 P I D控制器输 出控制量 。在风机运行 过程中， 依据控制量 ／／ , 设定 变频器 的电流 ， 最终实 现对通风机 风量系统 的闭环控制 。该系统 的模糊 P I D控制器 由 P L C编程实现 ， 其 中控制算法 u 凡 k p e n I s ∑e e 凡 一 e 一 1 ] ‘1 s 1 式中 。 比例系数 ； i 积分时间常数 ； 微分时间常数 ； “ r l , 调节器的输出 ； e n 偏差值 ； 采样周期 。 2 模糊 P I D控制器设计 参照图2 ， 模糊控制器为 2输入 3 输 出模式， 风量 误差绝对值I e n l 和误差变化率绝对值I v e r t I 为输 入语言变量 ； P I D调节参数 k 。 ， T i ， T d 为模糊控制器 的输出语言变量。为了便于计算机的处理和实现， 输入、 输出的隶属函数均采用线性函数。模糊控制 器控制流程如下 ①按照风量调节系统的控制结构和操作经验分 析可得模糊控制规则 。 ②根据不 同的模糊输入值 ， 其模糊输出量的大 小制成一个总的模糊控制量表 ， 即查询表。 ③模糊控制量表查询。在实际控制过程 中， 根 据风量误差绝对值 l e 1 1 , I 的大小 ， 由式 2 、 式 3 、 式 4 求出各量化因子 k k ； 根据 k 、 确定其各 自在模糊控制量表 中的区间 ， 即可得到模糊控制的 输 出量。 k 。 k 加k 1 I e n 一E ／ 2 l 2 k k d 当 0 l e r t l E ／ 2时 4 式 中 k 、 Ii} 量化 因子 ； k 棚 、 后 ∞ 偏差为 0 时 k 。 、 k 。 的值； 系统允许的最大误差 ； k 、 k 2 根据系统的具体隋 况而整定的系数。 ④模糊控制器输出去模糊化。 图 2 风量 闭环变频控制原理 2． 3模 拟 量监 测 根据需要配置若干 P L C 模拟测量模块， 使用输 出信号为4 ～ 2 0 m A的相应标准传感器， 在 P L C 和传 感器的配合下完成了主通风机气动参数， 风峒参数， 电气参数 ， 温度参数 的测量。 2 ． 4 上位 机 组 态 冗余 软件 系统 系统配置嵌入式组态软件， 完成现场车间级监 测监控。通过 网关 利用数据 同步技术 ， 工控 WWW 组态软件将主通风机监控数据在企业 I n t r a n e t 发布 ， 网络用户使用标准 W E B 浏览器实现远程监测监控。 由于车间级测控系统在物理上通过网关与企业 I n t r a n e t 进行了安全隔离， 即使工控 WW W组态软件遭 受外部诸如病毒 、 黑客人侵而瘫痪 ， 也会安全正常运 行 ， 大大增强了监控系统可靠性 。 3 具体实现 系统使 用 西 门子 S一3 0 0系列 产 品， 选取 C P U 3 1 4 、 S M 3 3 1 模拟量输入、 S M 3 3 2模拟量输 出、 S M 3 2 1 数字量输入 、 S M3 2 2数字量输 出 以及 S M3 3 1 热电偶模块构成 P L C测控系统。上位机 软件则采 用北京昆仑通态 自动化 软件科技有 限公 司开发 的 M C G S组态 系列产 品， 选择嵌入式一体化工控组态 机、 WW W网络版软件构成冗余组态软件系统。根 据上述研究成果 ， 实现对底层 P L C无缝连接和平滑 远程控制， 完成风机在线网络监测监控。 4 系统功能特点 1 P L C采用双 C P U， 上位机采 用冗余组态 软 件 ， 系统测控快速准确 ， 可靠性高。 2 根据风量 自动调节 风机转速 ， 节能效果 明 显 。 3 界面友 好 ， 美 观大方 ， 能 自动生成 各类报 表 ， 内容丰富翔实。 4 具有实时曲线 、 历史 曲线绘制功能。 5 具有动态绘制风机性能特性曲线功能。 6 系统为不同级别 的用户提供了不同操作权 限， 安全性高。 7 系统支持远程网络控制和 W E B浏览。 可根据现场应用需求灵活配置， 系统伸缩性强。 系统运行效果如 图 3 、 图 4所示 。 图 3系统运行 主界 面 第 2 9卷第 l 2 期 2 0 0 8年 1 2月 煤矿机械 C o a l Mi n e Ma c h i n e l V0 1 ． 2 9 N o． 1 2 De c ． 2 008 基于微控制器及变频器的风机节能控制系统 刘实现 。朱华 中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘要风机是气力输送装置的关键设备， 在工矿 企业 中应 用广泛。在 实际生产 中负荷所需 求的风量往往是不断变化的， 而传统的风机设计都是全速运转， 且效率低下， 浪费了大量的电力资 源， 提高了生产成本。主要就风机的节能问题进行了分析 ， 并提 出了具体的可行方案。 关键词 风机 ；节能；变频调速 中图分类号 T H 4 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 【 2 0 0 8 1 2 ． 0 1 2 8 0 3 En e r g ys a v i n g Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n M i c r o c o n t r o l l e r a n d Fr e q u e n c y Co n v e r t e r o f Fa n LI U S h i x i a n。ZHU Hu a C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t ri c al E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g and T e c h n o l o g y 。 X u z h o u 2 2 1 1 1 6 。 C hi n a Ab s t r a c t F a n i s a k e y e q u i p me n t o f p n e u m a t i c c o n v e y i n g ，a n d i s w i d e l y u s e d i n m i n i n g i n d u s t r y ．I n a c t u a l p r o d u c t i o n t h e n e e d s o f t h e wi n d i s c o n s t a n t l y c h an g i n g，b u t t r a d i t i o n al f an s a r e a l l d e s i g n e d a t f u l l s p e e d 0 p e r a t i o n，an d l o w e f fi c i e n c y， wa s t e d mu c h e l e c t r i c p o we r an d i n c r e ase d t h e c o mp an y p r o d u c t i o n c o s t ． Ma i n l y s t u d i e d f an e n e r g y s a v i n g and p u t t ed f o r w a r d c o n c r e t e f e a s i b l e p r o g r a m． Ke y wo r d s f an ； n e r gy s a v i n g ；f r e qu e n c y c o n t rol 0引言 风机设备在工矿企业中应用较为广泛 ，传统的 风机控制都是全速运转 ， 即不论生产负荷的大小 ， 风 机都提供 出固定数值的风量。而在工矿企业 的实际 生产过程 中， 需求的风量往往是不断变化且低于初 始设计值的， 这样就造成了“ 大马拉小车” 的现象 。 在调节风机流量方面， 生产 中最常用 的方法是 调节阀门或挡板开度的大小， 这样就使相当多的能 量被白白浪费掉了， 造成 了大量的能源浪费和设备 损耗 ； 而风机变频调速不仅可以调节风机的流量 ， 而 且可 以节能降噪， 因此 ， 近年来在工矿企业的风机改 造中得到了广泛应用。 1 风机节能效果分析 风机的工作点是由管网特性曲线和风机性能曲 线共 同决定 的， 如图 1 所示 。 初始设计条件下， 风机工作在 ～ 点， 此时风压 为 ， 流量为 Q 。若实际生产负荷从 Q 减小到 Q 时，便存在阀门调节控制和变频调速控制2 种不同 ％ 量 董l ＼ ， 喘 薪 - 工 作l ● 一 - ● ●J - _ _一 低 张 I x 一 ， i 一 、 、 重 【 m ／ s 图 4 风机全特征 曲线 5 结语 目前该系统 已在多个煤矿得到成功应用 ， 实际 应用表明， 采用模糊 P I D控制风量闭环调节 ， 控制精 度高 ， 性能稳定 ； 系统实现了主通风机运行参数 、 通 风数据的实时监测与风机主辅设备控制的一体化管 理 ， 对于煤矿企业 的安全生产 、 节能提效具有重要意 义 参考文献 [ 1 ] 樊晓虹 ． 风机变频监控 系统 的设计 与实现[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 7 ， 2 8 2 9 09 1 ． [ 2 ] 韩国庆， 周冬莉 ． MC G S工 控软件在 矿井主扇 风机监控 系统 中的 应用[ J ] ． 河北煤炭 ， 2 0 0 5 2 5 1 5 2 ． [ 3 ] 肖硕， 魏学业 ． 煤 矿风机 主扇监控 系统 [ J ] ． 国外 电子测 量技术 ， 2 O O 6 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