基于PLC的矿井主扇风机无人值守系统设计.pdf

第 3 0卷第 5期 2 0 0 9年 5月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i ne r y Vo 1 ． 3 0 N o ． 5 Ma v ．2 0 09 基 于 P L C的矿井主扇风机无人值守系统设计 杨波’ ，王峰 。刘 自学 1 ． 晋城煤业集团， 山西 晋城 8 006 ； 2 ． 中国矿业大学 信电学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 针对我 国煤炭行业风机 系统的应用现状 ， 全面、 深入、 系统地研 究了风机 的运行和控 制规律 ， 开发了一种基于以太网的无人值 守风机 自动控制 系统 ， 并 已在现场得到 了成功的应用。 关键词 主扇风机；P L C；无人值守 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 9 0 5 0 1 2 8 0 3 De s i g n o n Unma n ne d Gu a r ds S y s t e m o f M a i n Ve n t i l a t o r i n M i ni ng S u pe r v i s e a n d Co nt r o l YANG Bo ， W ANG Fe n g ， LI U Z i x u e I ． J i n c h e n g M i n i n g I n d u s t r y G r o u p ， J i n c h e n g8 006 ， C h i n a ； 2 ．I n f o r ma t i o n a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g C o l l e g e o f C h i n a U n i u e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 008 ， C h i n a Abs t r a c t Ac c o r di n g t o t h e a p p l i c a t i o n o f t h e a i r b l o we r s y s t e m i n c o a l i n d us t ry i n o u r c o u n t ry ，h a s s t u d i e d t h e r u n n i n g a n d c o n t r o l l i n g rul e o f t h e a i r b l o w e r c o m p r e h e n s i v e l y，t h o r o u g h l y a n d s y s t e ma t i c a l l y， a n d t h e n d e v e l o p e d a n e w k i n d o f a u t o ma t i c c o nt r o l s y s t e m o f t h e a i r b l o we r ba s e d o n t h e e t h e r n e t ， na me d u n ma n n e d g ua r d s s y s t e m o f t he ma i n v e n t i l a t o r i n mi n i n g s u p e r v i s i n g a n d c o n t r o l l i n g ，a n d t h e s y s t e m h a s g o t t h e e f f e c t i v e a p p l i c a t i o n i n s o me c o a l i n d u s t r y ． Ke y wo r d s ma i n v e n t i l a t o r ； PL C； u n ma n n e d g u a r d s 0 引言 矿井主通风机是大型固定设备 ， 它担负着 向井 下输送新鲜空气 ， 稀释各种有害气体 ， 保证井下工 人身体健康和安全生产 的重任 ， 故需要运行的通风 系统绝对安全可靠。因此 ， 有必要建立一套功能完 善的无人值守 的监控 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 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。 随着信息技术的发展 ， 信息交换技术覆盖了各 行各业 ， 在 自动化领域 ， 越来越 多的企业需要建立 包含从工厂现场设备层到控制层 、 管理层等各个层 次的综合 自动化 网络管控平 台， 建立 以工业控制 网 络技术为基础 的企业信 息化系统。正是在这样 的 大环境下 ， 无人值守 的煤矿风机 自动控制系统得 以 提出， 并凭借高性能的通讯及智能化的P L C控制得 以实现。 1 系统简介 1 ． 1 系统组成 无人值守风机 自动控制 系统 的构成包含硬件 和软件两部分 ， 硬件部分主要包括 4台 4 0 0 k W 的 交流防爆电机 、 4台4 0 0 k W 的西门子 G1 5 0变频器 、 6台高压柜 、 8台低压柜 、 1台 P L C控制柜 、 U P S不间 断电源 2套 、 风 门电机 2台， 传感器若干及集控室的 服务器和监控计算机等。 主扇风机无 人值守系统是基 于以太 网的大型 实时监控系统 ， 本系统主要 由五大部分构成 即集 控部分、 传动部分、 控制部分和底层信息采集及信 息传输 。集控部分 主要完成对 系统 的远 程控制和 系统数据的实时监测 ， 以及在此基础上的系统故障 诊断和系统数据的各种报表打 印等 。传 动部分主 要完成对系统 4台风机 电机的变频调速， 实现风机 运行的节能 ， 达到对风量进行优化控制 的 目的。控 制部分则通过安装在现场控制柜 的 P L C可编程控 制器来完成 ， 包括各种控制算法 的实现 、 各 开关动 作的闭锁保护 、 电机参数 的实时采集及对数据 的格 式化处理等。底层信息采集部分 利用各种传感器 和信息检测装置， 对系统运行中各部分的信息进行 实时采集 ， 并通过控制柜 P L C的数字 、 模拟量模块 进行信号 的数字化。信息传输是 利用各种 网络技 术 ， 包括 4 8 5总线 、 P r o fi b u s总线 以及 以太网来完成 实时数据的快速传输。 P L C采用的是 S I E ME N S的 s 73 0 0系列 ， 硬件 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 一 1 2 8 v o 1 ． 3 0 N o ． 5 基于 P L C的矿井主扇风机无人值守系统设计杨波 ， 等 第 3 0卷第 5期 制 ； 模拟量处 理模 块主要 对温度 、 压力和振 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。 触摸屏采用 S I E ME N S公 司的 T P 2 7 0触摸屏 ， 它 以 MP I 接 口与 P L C连接 ， 采用 S I E ME N S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 L C通信模块 连接。其他低 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 L C连接 。 1． 2 系统 功 能 无人值守风机 自动控制系统中， 采用冗余 型以 太网拓扑结构 ， 这样可 以保证在一条网路不通 的情 况下 ， 仍然能对风机 系统进行监控 。从通信 网络 的 结构形式上保证 了无 人值守 的实现。P L C主程序 主要 由系统初始化程序 、 风 门电机起动程序 、 风机 电机启动程序 、 风机 电机换机程序 、 风机反风程序 ， 模拟量 压力 、 风量 、 振动 、 温度等 采集程序 、 停机 程序和报警程序等构成。其 主要功能 1 全天候无人值守在线监控现场风机 系统的 运行状况 ； 2 实时就地 、 远程控制风机各 电机 的运行状 态及风量 、 频率的闭环调节 ； 3 实现无 人值守情 况下 的风 机 自动切换功 能 ； 4 风机系统当前 、 历史 、 报警等数据的现场查 询 和显示 ； 5 风机停运 的现场声光报警 ； 6 风机停运时向多级监控 中心远程 的 自动报 警； 7 多级监控 中心对风机系统运行数 据的远程 查询 ； 8 系统故障自诊断的声光信息通知 ； 9 系统运行参数的现场设置和远程设置 ； 1 0 灵活 、 便捷 、 高效 、 经济的以太 网通讯 、 P r o ． fi b u s 总线通讯及 4 8 5总线通讯。 2系统软件设计 P L C控制程序采用 S I E ME N S公司提供 的 S T E P 一 7 V 5 ． 2 编程软件开发。P L C控制程序由一个主 程序、 若干子程序构成， 程序的编制在计算机上完 成 ， 编译后通过 P cA d a p t e r MP I 编程电缆把程序 下载到 P L C， 控制任务的完成 ， 是通过在 R U N模式 下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。 P L C主程序主要 由系 统初始化程序 、 风 门电机 起动程序 、 风机电机启动程序 、 风机 电机换机程序 、 风机反风程序 ， 模拟量 压力 、 风量 、 振动 、 温度等 采集程序 、 停机程序和报警程序等构成。 本系统从 上位机功能 的角度来 讲主毁解 决 以 下问题 ①设备各种参数状态数据 的采集棚控制信 息的发送； ②监控参数的图形动画表达和报警处 理 ； ③事故追忆和趋势分析 。这些功能 的正常运行 是保证系统正常运行的重要条件 ， 因此采用 国际著 名 的组态软件 I N T o u c h进行上位机软件的开发 ， 完 成遥控、 遥信 、 遥测及其他一 些辅助功能 。上位机 系统用的 I N T o u c h组态软件带有 E t h e r n e t I ／ 0驱动 程序 ， 通过以太 网交换机 光缆直接 与 P L C通 信， 采 用 的网络协议是 T C P ／ T P协议。I N T o u c h软件通过 I ／ O驱动程序从 P L C中将 现场数据采集 到驱动器 映像表 D Y r 的指定地址 ， 扫描 、 报警和控 制程序 S A C 读入从 D T r 来的数据 ， 进行处理并且将其传 送给过程数据库 ； 内部数据库访问功能从数据库中读 取数据并且传输给要求数据的应 用软件 。I N T o u c h 也可以按与上述相反的流程将数据写入 P L C中。 风机监测诊 断系统功能上应具备设 备与过程 的运行状态数据 动态采集 、 信号处理 、 状 态综合判 别 、 自动报警及 突发故障 自动保护 、 故 障推理诊 断 等功能。风机监测诊断系统总体结构如图 1 所示 。 图 1 风 机监 测诊 断系统结构框图 实时监控 系统的现场数据通 过数据采集模 块 进入系统 ， 系统对输入数据进行处理后保存在实时 数据库中。如果数据达到报警 限值 ， 系统进行报警 处理 ， 并记录报警信息 ， 按照要求 ， 系统定时将实时 数据保存到历史数据库和统计数据库 中， 如果出现 满足触发条件的系统事件， 系统 可以 自动触发用户 编写的应用程序 。通过接 口编写各种 客户应用程 序访问实时数据库 、 历史数据库和统计数 据库 中的 数据。经过 客户应 用程序处理 的数据 可以通过应 用编程接 口再回送到实时数据库中， 进行输 出处理 后通过 回送模块送到实时控制系统 中， 实现对监控 系统的现场控制。可以看 出内存实时数据 库是整 个实时数据库系统的核心部件， 参考国内外的其他 实时数据库产 品， 并结合 当前 系统 的需求 ， 确定 了 本系统的功能模块组成如图 2 。 一 1 2 9 第 3 0卷第5期 2 0 0 9年 5月 煤矿 机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y Ma v ．2 0 0 9 基 于 A R M 的低 压馈 电开关智能保 护装置 王世斌 ，梁睿 ，刘建 华 。崔鹏飞 1 ． 河北金牛能源股份有限公司， 河北 邢台0 5 4 0 0 0 ， 2 ． 中国矿业大学信电学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 介绍一种应用于井下低压电网的新型智能保护装置 ， 重点分析 了智能保护装置的工 作原理。该装置以嵌入 式芯片A R M L P C 2 2 9 2处理 器为核心， 能 自动判断漏电、 短路等故障， 同时可 以完成保护参数值的设 定、 故障检查等 ， 具有 R S一4 8 5通讯接 口实现 了装置和上位机之 间的数据 通讯 ， 可快速了解设备运行状态及可能存在 的故障隐患， 提 高煤矿供 电系统的安全可靠性。 关键 词 微 机 继 电保 护 ；馈 电开关 ；L P C 2 2 9 2 中图分类号T M文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 9 0 5 0 1 3 0 0 2 De s i g n o n Lo w - v o l t a g e Fe e de r Swi t c h I nt e l l i g e n t Pr o t e c t i v e De v i c e Ba s e d o n ARM Pr o c e s s o r WANG S h i b i n ， LI ANG Ru i ， LI U J i a nh u a ， CUI Pe n gf e i 1 ． H e b e i J i n n i u E n e r g y S o u r c e L i m i t e d l i a b i l i t y C o m p a n t y ， X i n g t a i 0 5 4 0 0 ， C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f I n t b 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 o f C U M T， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Abs t r a c t A k i n d o f n e w t y p e i n t e l l i g e n t pr o t e c t i v e d e v i c e us e d o n u nd e r g r o u n d l o w v o l t a g e d i s t r i b ut i o n n e t wo r k s i s i n t r o d u c e d，a l s o i n t r o du c e s t h e p r i nc i p l e o f t h e d e v i c e ． Th e d e v i c e i s b a s e d o n e mb e d d e d ARM mi c r o p r o c e s s o r L PC2 2 9 2．El e c t r i c a l f a u hs s u c h a s e a r t h l e a k a g e．s h o r t c i r c u i t c a n b e a u t o ma t i c a l l y d e t e c t e d， a n d s u c h s e v e r a l f u n c t i o n s a s s e t t l e me n t o f d i f f e r e n t p r o t e c t i o n p a r a me t e r v a l ue。f a u h c h e c k i n g e t c c a n be fin i s h e d．Th e l o n g d i s t a n c e d a t a c a n b e e x c h a ng e d b e t we e n me a s u e me n t a nd up p e r s e a t PC b v RS一48 5 s e r i a l c o mmu n i c a t i o n i n t e r f a c e ． Th e r u nn i n g s t a t e o f t he e q u i p me n t a n d a p o s s i b l e f a i l u r e c a n b e q u i c k l y o b s e r v e d．Th e r e f o r e，i t c a n i mp r o v e t h e r e l i a b i l i t y o f c o a l mi n e p o we r d i s t r i b u t i o n s y s t e m． Ke y wo r ds c o mp u t e r r e l a y p r o t e c t i o n；f e e d e r s wi t c h；LPC2 2 9 2 1 智能保护测控装置的工作原理 该馈 电开关智能保护装置 的总框 图如 图 1所 示 ， 它主要由信号采集模块 、 通信模块 、 控制模块 和 输入输出模块等组成。 从一次互感器得到的电压 、 电流信号首先经过 精密 P T和 C T转换成 合适 的电压信号 ， 然后经过二 } I、 、 ≠ 蝠 ； 、 ． ， ＼ I ， 、 五 ； ； 图 2数 据 库 功 能 框 图 在此基础上 ， 搭建一企业级的高速 以太 网， 将 本系统的各种现场控制设备接入到以太 网中， 建立 一 套新型的基于以太 网的信息管理系统 ， 为煤矿生 产提供强有力的安全后盾。 3结语 本文基于- S I MA T I C S 73 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 及状态在线实时监测 、 远程控制。同时，风机无人 值守 自动控制系统用于现场后 ， 由于改善 了风机的 控制方式及 风机供风性能 ， 提高了系统安全性 、 稳 定性 ， 减少了风机的风量损耗 ， 提高了运行效率， 大 量节省了系统电量 消耗 ； 明显地改善了起动时对电 机的冲击 ， 极大地降低 了工 人的劳动强度 ， 减少 因 人工操作可能引起 的误操作。由于电气上 没有 易 损器件 ， 减少 了 E t 常的维护工作和维护费用 ， 长期 使用节电效 果明显 ， 大大提高 了生产效益 ， 具有较 高的使用及推广价值 ， 对加快我国建设现代化矿山 的步伐具有借鉴意义。 参考文献 [ 1 ] 西门子公司． S 7 3 0 0可编程序控制器编程手册[ K ] ． 2 0 0 1 ． ● [ 2 ] 韩银中． 矿井 主扇风机 的改造浅析[ J ] ． 煤矿开采 ， 2 0 0 2 1 ． [ 3 ] 杨俊生．P L C控制 系统 在 风 机 中的 应用 [ J ] ． 电工 技 术 ， 2 0 0 4 7 ． 作者简 介 杨波 1 9 7 9一 ， 山西晋 城人 ， 2 0 0 0年毕业 于 中 国矿业大学 ， 现在晋城煤业集 团公 司赵庄矿 工作 ， 已发表论 文多 篇 ， 电子信箱 w a n g w f l 2 3 1 1 6 3 ． C O B． 一 1 3 0 一 收稿 日期 2 0 0 81 11 7