基于PLC的矿井主扇风机自动监控系统的设计.pdf

第 6期 2 0 0 7年 1 2月 工矿 自 动 化 I n dus t r y a nd M i n e Au t oma t i o n No ． 6 De c ． 2 0 0 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 7 0 6 0 1 0 6 --0 3 基于P L C的矿井主扇风机自动监控系统的设计 谭 长森 ， 孙 鹏 ， 郭 峰 ， 顾 志鹏 1 ． 天地 常州 自动化股份有限公 司， 江苏 常州2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 中国矿业大学信电学院 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 针对 当前矿井主扇风机监控 系统过于简单、 部分关键参数监测精度较低 、 监测内容不全面、 未与调 度 中心信 息 系统 集成等 问题 ， 设 计 了一种基 于 S I MATI C S 7 3 0 0系列 P I C 的矿 井主 扇风机 自动监 控 系统 。 该系统 实现 了主扇风机的性能参数、 状态参数和电动机电气参数的 实时监测和远程控制， 达到无人值 守的生 产要求， 保证 了主扇风机设备经济、 可靠地运行。 关键 词 矿 井；主扇 风机 ；自动监控 ； P I C；无人 值 守 中图分类 号 T D 6 3 5 文献 标识 码 B 0 引言 具有 “ 矿井 肺腑” 之称 的主扇 风机是煤 矿 的四 大 固定设备之一 ， 它担负着向井下输送新鲜空气 、 排出 粉尘和污浊气流的重任 。由于井下工作现场条件恶 劣 ， 主扇风 机一旦 发生 故障 ， 将 会对 整个矿 区生产 和 安全 造成重 大影 响 ， 故 而有 必 要建 立 一 套 功能 完 善 的 自动监控系统。目前该类监控系统存在着 以下问 题 系统过于简单 ， 部分关键参数 如风机流量 监测 精度较低， 监测内容不全面， 未与调度中心信息系统 集成等 。 采用先进 、 可靠的传感器和计算机技术实现矿 井主扇 风机性 能及 状 态 的在 线 实 时监 测 ， 以便 在 生 产过程中及时掌握主扇风机运行参数和状态， 是主 扇风机控制系统的发展方向。因此 ， 必须改变传统 的设备管理方式 ， 提高主扇风机设备的 自动化管理 水平 ， 保证 主扇 风机 设 备 的经 济 、 可 靠 运 行 ， 为设 备 的管理和维修提供可靠的科学依据 。本文介绍一种 基 于高可 靠性 P L C控 制 的矿 井 主 扇 风机 自动 监 控 系统的设计 。 1 系统组 成及 主要功 能 1 ． 1 系统 组成 矿井 主 扇风 机 系统 主要 由以 下设 备组 成 每 台 风机 安装有 2台 6 k V 的高压异 步 电动机 ， 电动机 上 收稿 日期 2 0 o 7 一O 7 1 7 作者简介 谭长森 1 9 8 3 一 ， 男 ． 助理工程师 、 现主要从事煤矿胶 带输送机控制方面的工作 。 安装了三相定子和前后轴承温度传感器 ； 1扇地面 风道 闸 门 ， 用 来 调 节 风 量 和 倒 换 风 机 ； 4 台低 压 3 8 0 V电动机 组 成 风 门电 动 机 ， 分 别 用 于控 制 垂 直 风门和旋 转风 f - j ； 在 风机风 道处安 装测 量差压 、 负压 的气样管 道及 流体温 度传感 器 ； 同时 ， 为 了保证 附属 设备可靠地工作 ， 安装 2台 5 0 k VA的干式 变压器 综 合保护 装置 。 矿井 主扇风 机 自动 监控 系统 以 P I C为 核心 ， 主 要由信号监测装置、 传感 变送 器、 P L C、 通信装置 、 上位机及其它设备组成 ， 可分为风机变 电站监控系 统 和风机本 体流 量 、 负压 和振 动参数 等 的监 控系统 ， 如 图 l所示 。系统 工作 电压 为 AC 2 2 0 V， 环境温 度 为 0 ～ 5 0 ℃ ， 监 测 精 度 流 量 为 2 ． 5级 ， 压 力 为 0 ． 5级 ， 电参数 为 0 ． 2 5级 ， 其它为 1 ． 5级。监测参 数范 围可按 实际要 求确定 。 】 号通风机及配套机电设备 2 号通风机及配套机电设备 流 lI振 I I压 刮 刮 耋 {I耋 fl 置 lI置 lI置 ll {i i l 电 流 互 感 器 电 压 互 感 器 装 置 工控 P L Cl 中央处理单元 I 望 竺 堡 呈H 堡 皇I 图 1 矿井主扇风机 自动监控 系统组成框图 护 保 置 合 装 综 温 度 变 送 器 压 力 变 送 器 振 动 变 送 器 流 量监测装置工 流 量变 送 器 维普资讯 2 0 0 7年 第 6期 谭 长森 等 基 于 P I 的 矿 井主扇风 机 自动监控 系统的设计 1 0 7 ． P I C采 用 的是 S I E ME NS的 S 7 3 0 0系 列 ， 硬 件结构如图 2 所示 ， 其主要 由电源 、 C P U、 数字量输 入输出、 模拟量输入 、 通信单元等模块组成。其中， 数 字量单 元 主要 检测 低压 风 门及 电动 机开 关接触 器 的状态 ， 并对其 实施控 制 ； 模 拟量 处理模 块 主要对 温 度 、 压力 、 振动等参数进行转换 ； 通信模块负责与智 能仪表、 综保单元以及上位机服务器的通信 。 圜国 因 囡囡 因 圜圜 圜 图 2 P I C硬件 结构 框 图 触 摸屏采 用 S I E ME N S公 司 的 TP 2 7 0触 摸 屏 ， 它 以 MP I 接 口与 P I C连 接 ， 采 用 S I E ME NS的协 议完成 通信 。 变 电站监 控 系统采用 南瑞公 司生产 的综合保 护 测控单 元 ， 该 单 元 可 就 地 显 示 相 电压 和线 电 压 、 电 流 、 有功 、 无 功功 率 、 功率 因数 等参 数 ， 可通 过 4 8 5 接 口采用 1 0 3规约 与 P I C通信模 块 连接 。 其它低压开关 、 风门限位开关 的信号均通过数 字量或 模拟 量输 入输 出与 P I C连 接 。 1 ． 2 系统 功 能 1 实现风 机运行 参数 的 实时 监测 与 风机 主辅 设 备控 制 的一体 化 ； 2 实时监测风机的电动机各种电气参数； 3 实时 监 测 电动 机 和 风 机 前后 轴 承 温度 、 振 动参 数 ， 并 超限报 警 ； 4 显示 当前运 行机 号 、 正 反转 信 号 、 风机 开停 状态 ； 5 实时 监测通 风机 流量 、 压 力 、 振 动 等 气动参 数 ； 6 实现定 子 电压低 于 5 ． 1 k V、 定 子 电 流超 过 上 下限报 警的功 能 ； 7 实现 远 程通 信 ， 监 测参 数可 上 传 到 地 面 上 位 机 。 2 系统 的软件 设计 P I C的监控 程 序 包 括 系 统 监 控 程 序 和 用 户 监 控 程序 2个部 分 。系 统监 控 程 序 由制 造 商 提供 ， 它 包 括管 理 程 序 运 行 管 理 、 生 成 用 户 元 件 、 内部 自 检 、 用户 指令 解 释程 序 、 标 准 程 序模 块 等 。用 户 监 控程序是用 户编制的针对具体监控任 务要执 行的 程 序 。 考 虑 到风 机运 行 的重要 性 ， 设 计 采用 三级 操 作 模式， 即手动操作模式、 就地触摸屏控制操作模式和 上位 机 遥控操 作模 式 。对于 风机 的启停操 作也运 用 了2 种 方 式 一种 通 过 P I C C P 3 4 0模 块给 综保 装 置 发 遥控 命令 ， 利用 综 保装 置 的遥 信 状 态 当作 反 校 模 式 ； 另 一种通 过 P I C D O 模块 直 接硬 接线 到 高压 开 关 的合 分 闸继 电器线圈 。 C P 3 4 0 模 块 与多 台综 保 装 置 通过 R S 4 8 5接 口、 其 自定义的协议进行问答式通信。考虑到电气参数 的特殊性 ， 设置循环通信 间隔期为 l 5 0 ms ； 另一块 C P 3 4 0模块 也通 过 R S 4 8 5接 口、 其 自定 义 的协 议 与 温度巡检仪通信 ， 考虑到温度参数变化 的迟缓性及 合理分配 C P U 的资源， 设置循环通信时间为1 mi n 。 整个系统的延时及分析判断的 中间状态都在 P I C 内部 完成 ， 充 分利 用 了 P I C的 内部 资源 。 在 矿 井 主扇 风 机 自动 监控 系统 中 ， 低 压 柜担 负 着给 P I C柜 供 电 、 控 制风 门开合 的作用 。为 了保 证 对风 机系统 的可 靠控 制 ， 必须 安 全 可靠 地 控制 低 压 柜 的每一 个开关 ， 因此 ， 在 程 序 中设 计 了一些 互 锁 ， 可防 止误操 作 的发生 。低 压柜采 用双进 线母联 的供 电方式， 2条进线互为备用， 保证供电的可靠性。在 低压 柜上 还 设 有 风 门电 动 机 的 就 地 和 远 控 选 择 开 关 ， 当选 择 就 地 开 关 时 ， P I C控 制 柜 无 法 对低 压 柜 的风 门 电动机 进行 控 制 。在 正 常 的生 产 中 ， 低 压柜 的就 选择 开关 要打 到远控位 置 。 P I C模 拟量 输 入 模 块 是 矿 井 主 扇 风 机 自动 监 控系 统 中的一 个重 要 部分 ， 振 动参 数 、 差 压 、 负 压 值 都需 要通 过 模 拟 量 输 入 模 块 输 入 到 P I C。模 拟 量 输入模块选择两电流输入 的工作模式 ， 输入的电流 为 4 ～ 2 0 mA。电 流送 入 模 拟 量 输 入模 块 后 ， 变 送 出0 2 7 6 4 7 的 二 进制 数 ， 用该 二 进制 数 除 以 2 7 6 4 8 就可 得 出输入 的 实 际 电流 值 。根 据该 电流 值 ， 可 通 过差 压 和负压 计算 出风 机电动 机 的效 率和 风机 的流 量 ， 并 且 可计算 出风 机 电动机 的振动 幅度 ， 为风机 电 动 机的安 全运 行 提供 重 要 的 参数 。同 时 ， 在程 序 中 还设 计 了风机 电动 机温 度超标 、 电动 机振动 超标 、 风 道流量超限和低于下限的报警程序 。l 6路温度巡 检仪具有 R S 4 8 5口的 串行通信功能 ， 可和 P I c的 C P 3 4 0 模块进行 串行通信 。P I c通过 RS 4 8 5接 口 和温度巡 检仪 通信 得 到 温度 值 ， 进 行 处 理并 把 温 度 值送 上位 机 显 示 。高 压 柜 的控 制 是 通 过 C P 3 4 0模 块和综保装置的通信实现 的， 给特定的位一个上升 沿 ． 高压柜就会自动进行分合闸动作 。 维普资讯 第 6期 2 0 0 7年 1 2月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a n d M i ne Au t o ma t i o n NO ． 6 De C ．2 0 0 7 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 7 0 6 --0 1 0 8 ～0 3 光纤工业以太环网在煤矿安全监控系统中的应用 范高 贤 ～， 周 波 ， 殷 庆平 1 ． 北 京交通 大学经 济管 理学 院 ， 北京 1 0 0 0 4 4 ； 2 ． 济矿鲁 能煤 电有限公 司 阳城煤矿 ， 山东 汶 上2 7 2 5 0 2 ； 3 ． 上海 能源 大屯股 份有 限公 司发 电厂 ， 上海2 2 1 6 1 1 摘 要 随着煤矿 开采规 模的 不断扩 大 、 对煤矿安 全 生产要 求的 不断提 高， 煤矿 安 全监 控 系统 传 统 的数据 采集 和传输模 式在矿 井复杂 的巷 道 、 大型 用电设备 电磁 干扰等 环境 下 ， 其数 据传输 的 实时性 和稳定性 受到制 约， 不能满足煤矿安全新规程的要 求。文章介绍 了基于光纤传输介质的工业以太环 网应 用于煤矿井下安全 监 控 系统 的方案 ， 该方案 解决 了安全监 控 系统在 复杂环境 中的传输 问题 。 关键 词 煤矿 ；安全监 控 系统 ；数据 传输 ；工业 以太环 网 中图分类 号 T D 7 6 文献 标识码 B 0 引言 目前 ， 国 内不 同生 产 厂家 的煤 矿 安 全监 控 系统 组成 如 图 1所 示 。系 统 构 架 以 集 散 型 控 制 结 构 为 主 ； 地 面监 测 主机通 过 串行 总 线 与 系统 线 路 传输 装 置 连接 ， 采 用 串 口轮 巡 的 方式 与 井 下各 数 据采 集 分 站交换数据； 系统传输线路 主要采用 阻燃通信线缆 井 筒 部 分 可 采 用 光 缆 ； 数 据 传 输 模 式 主 要 有 R 4 8 5总线 、 F S K、 DP S K等 。 上述 系统架构 随 着煤矿 开采规模 的不 断扩 大 、 收稿 日期 2 0 0 7 0 7 2 6 作者简介 范高贤 1 9 7 3 一 ， 男 ， 1 9 9 6年毕业于山东科技大学采 矿专业， 现为北京交通大学经济管理学院在读 博士 ， 山东济矿鲁能煤 电有限公 司阳城煤矿副矿长。 各类并下传感器 、执行器 图 1 现有的煤矿安全监控 系统组成 图 对煤 矿安 全生产 要求 的不 断提高 ， 存 在着 以下 问题 1 总线型的构架方式使得系统在传输速率和 传输 距离上 受到 严 重制 约 ， 在 接 入 系统 的 数 据采集 3系统的就 地控 制 系统 的就地 控 制通 过 西 门子 公 司 的 T P 2 7 0触 摸屏 实 现 。触 摸 屏 通 过 R S 2 3 2接 口与 P I C进 行 MP I 通信 ， 直接读取设 置在 P I C中的数据， 控制现 场的高、 低压柜分合闸， 实现风机的正常启停及风门 的正常升降。同时可以实时观测风机运行时的部分 参 数 。触 摸屏 软 件 设计 采用 西 门子 公 司 的 P r o t o o l 软件 。 4结 语 本 文基 于 S 1 MAT1 C S 7 ～3 0 0系列 P I C设 计 了 矿井主扇风机自动监控系统 ， 实现 了主扇风机性 能 及状 态的在 线实 时监测 、 远程控 制 。同时 ， 该系统提 高 了矿井 主扇风 机设 备 的 自动化 管 理水 平 ， 达 到 了 无人 值守 的生产 要求 ， 有 力 地 保证 了主 扇风 机 设备 经济 、 可靠 地运行 ， 为设备 的 管理和维 修提 供 了科学 依据 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王兆义．可编程控制器教程[ M] ．北京 机械工业出版 社 ， 】 9 9 7 ． E e j 韩银中．矿井 主 扇风 机 的 改造 浅析 [ J ] ．煤 矿 开采 ， 2 00 2 1 ． r 3 ] 杨俊生．P 1 c控制系统在风机中的应用[ J ] ．电工技 术 ． 2 0 0 4 7 ． 维普资讯