基于PLC的煤矿风机自动监测控制系统研究.pdf

髻 鑫 愚梭豢 基于P L C 的煤矿风机自动监测控制系统研究 张晓娟’ 郑权 1 ． 安徽工商职业学院电子信息系 2 ． 煤炭工业合肥设计研究院安徽合肥2 3 0 0 4 1 【 摘 要】本文设计的煤矿通风机自 动监测控制系统采用西门子 s 7 3 o o , ． ] P L C 作为下位机采集通风机的各个参数及瓦斯浓度， 以变频器 实现风机的变频调速， 并用上位机实时显示并监测各个参数和系统的运 行情况。 该系统的应用能使风机始终保持在高效、 经济的运行状态， 降 低 了 瓦斯事故发生率， 使整个通风机系统更加安全可靠。 【 关键词】P L C ； 变频器； 通风机 引言 随着煤矿开采规模的不断扩大 ， 瓦斯灾害问题 日益突出。 在煤 矿安全生产中矿井通风系统起着极其重要的作用。 矿井通风机因为 承担着向井下输送新鲜空气、 瓦斯气体排放的重任， 是煤矿安全生产 的关键设备， 因此对矿井通风机的各个参数和瓦斯浓度的监控非常 必要。 由于通风机属于负荷平稳、 启动不频繁的设备， 所以传统的方 式是采用交流鼠笼型电动机拖动的不调速电控系统， 靠调节风门来 调节风量。 这种方式设备简单、 初期投资小、 可靠性较 高， 但是能耗 大。 同时， 在实际开采过程中， 随着采掘工作面的推移、 采煤方法、 井 下工人数量及瓦斯涌出量的变化 ， 通风机的正常运行和经济运行都 要求进行风量调节。 为了达到节能效果 ， 通风机的风量调节可以改成 通过调节风机转速来实现， 也即是控制通风机的转速随着瓦斯浓度 等参数的变化而 自 动调整， 进而实现风量的 自 动调整， 从而降低风机 能耗 ， 节省大量电能。 随着变频调速技术 N P L C 控制器的快速发展， 以P L C 为控制核心结合变频器组成的控制系统因其可靠性高、 抗干扰 能力强、 维修方便、 节能等优点， 已经成为各煤矿企业 的首选 。 本文 设计的煤矿风机自动监测控制系统采用西门子 7 3 0 0 系NP L C 作为下 位机 采集通风机的各个参数及瓦斯浓度， 以变频器实现风机的变频 调速， 以上位机来显示并监测各个参数和工作设备的运行情况。 1 ． 风机自动监测控制系统要求 通风机自动监测控制系统在煤矿安全生产中起着非常重要的作 用， 该系统要能够对风机的各个参数进行实时监测， 并根据监测结果 实时调整风机的输出风量大小， 同时， 还要能够实现随时通过上位 机界面的操作实现风机的启停、 报警及故障处理等等。 基于P L C 的煤 矿风机自动监测控制系统需实现的主要功能如下 1 通风机可以实现软启动， 为了安全生产的需要， 该系统要能 够实现风机的变频和工频运行状态的自动和手动切换。 2 当风机处于变频工作状态时， 能够根据井下的实际情况， 如风压、 瓦斯浓度等参数的大小， 实时进行风量的自动调节， 以满足 安全生产的需要。 3 当检测到井下瓦斯浓度超过 煤矿安全规程 所规定的安 全标准时， 发出声光报警， 并同时对通风机输出相应的控制信号， 改 变风量和风压等以排出瓦斯。 4 实时检测风机的电量参数 电压、 电流、 功率等， 实时监测 风机前后轴温、 振动情况， 实时检测电机定子的温度。 当以上参数超 出设定值规定范围时， 即触发系统的报警和故障处理功能， 发出声光 报警， 并立即进行风机运行状态的切换。 5 通过上位机界面实现人机互动功能 实时模拟显示风机系 统运行状态图， 并把实时监测数据在模拟运行画面上动态显示、 按需 求记录实时监测数据， 记录报警事件， 生成实时数据报表并打印， 允 许 已授权的操作人员通过上位机界面直接控制风机的启停 ， 以及对 报警信号进行紧急处理等操作。 2 控制系统的组成及控制过程分析 2 ． 1 系统组成 如图l 所示 ， 基于P LC 的煤矿风 机 自动监测控制 系统 ， 主要 由 P L C 、 变频器、 风机、 各种信号传感器、 扩展的A ／ D转换模块、 上位 机、 声光报警电路等组成。 现分别介绍 下主要硬件的选择和功能要 求。 工频 ～I 变频器 I ～ 变撕 手动 切 换 _ 1 电 压 、 电 流 、 功 率卜 一 风 机 A／ D 1 振 动 传 感 器 卜 一 上 转 位 _ - I ’ P I C 换 ’ {温 度 传 感 器 一 机 模 ●∈- 块 ●∈一 工 宙 一 瓦 斯 传 感 器 } ‘ _ 一 采 掘 光 报 _ j风 雎 传 感 器 卜 一 作 警 咖 图1风机自动监测控制系统组成框图 2 ． 1 ． 1 P LC 在本系统中P L C 选择 的型号是西 门子 的S - 3 0 0 系 I| P L C。 7 3 0 0 是模块组合式P L C ， 由基板及模块组成， 有多种基板可供选择， 可根据实际需要构成不同的系统。 本系统采用 7 3 0 0 系列的C P U 作为 核心处理单元 ， 再根据系统实际需要选择相应的输入输出模块， 可以 方便地实现如下任务 ①采集外界各设备的状态信号及模拟信号， ② 根据风压和瓦斯浓度等信号确定向变频器输出控制信号大小； ③若 外部设备故障， P L C 接通报警装置， 实现故障报警； 和上位机通讯。 2 ． 1 ． 2 变频器 变频器在系统中的功能是 变频器直接控制电机 ， 通过调速来 驱动风机工作 ， 从而提高了风机的传动效率。 使用变频器后 ， 电机 的输入功率明显减少， 运行工况明显改善， 控制精度高 ， 响应速度 快， 节约电能， 使整个系统工作平稳 。 本系统中的变频器可采用西门 子 变频器MM4 3 0 ， MM4 3 0 是泵类和风机专用变频器， 功率 范围在 7 ． 5 KW 2 5 0 KW， 使用内部互联技术， 具有很高的可靠性和灵活性。 MM4 3 0 采用线性V ／ f 控制 ， 并带有增强电机动态响应和控制特性的 磁通电流控制 F c c ， 内置P I D 控制器， 集成4 8 5 通讯接口， 带有完善 的过电压、 欠电压、 变频器过温、 短路保护等等。 控制软件可以实现 专用功能 多路切换， 手动／ 自 动切换， 节能运行方式等。 2 ． 1 ． 3 监测传感器 系统传感器主要有振动传感器、 温度传感器、 瓦斯传感器和风压 传感器组成。 各传感器具体功能如下 振动传感器 主要用来检测电机的前后水平垂直的振动参数， 转 换成0 2 0 mA的电流信号， 送入P L C 的模拟量输入模块。 温度传感器 采用高集成度的温度变送器， 主要监测风机工作 时的电机轴承温度和联轴器温度， 并将该温度值转换成电信号送给 P L C， P L C 把 当前温度与设定温度进行比较 ， 一旦温度超过设定温 度， 则启动对应的处理程序。 瓦斯传感器 采用专门用于监测煤矿瓦斯气体浓度的集成式瓦 斯浓度变送器， 主要是实时检测井下瓦斯浓度并 自动转换成电信号 送给P L C， P L C 再根据测得的瓦斯浓度的大小确定送给变频器的控 制信号， 进而调节风机的转速， 控制风机的输出风量。 风压传感器 由于凤量与差压存在对应关系， 所以风量的检测可 以采用工程检测方法， 即用压力传感器测得差压， 再根据差压计算出 风量。 因此系统可选用压力变送器， 测点选择在风机的人 口， 将取得 俄感缎恭 的压力信号、 负压信号转换成电信号。 2 ． 1 ． 4 报警电路 报警电路采用声光报警方式 ， 当变频器或P L C 故障或停止工作 时， 报警指示灯持续点亮， 同时报警器也会发出持续报警声， 同时风 机停止运行。 在本系统中现场报警的同时， 在上位机界面上也会有报 警指示。 2 ． 2 控制过程分析 从 图一的系统组成框图来看， 本文所讨论的系统采用的是一台 变频器控制一台风机， 实际煤矿中考虑到安全生产的需要， 还需要增 加一台变频器一台风机 ， 每台变频器和风机为一组 ， 两组互为备用。 系统采用软启动以降低启动 电流。 总体的控制策略是 在变频状态 时， 瓦斯传感器和风压传感器分别采集工作面的实际瓦斯浓度和风速 大小， 并转换成对应的电信号传送给P L C， P L C 根据工况需要计算出 此时是否需要调整风量以及风量调整的程度， 并把这个增加或减小 的风量转换为对应的电信号输出给变频器， 变频器根据输入的电压信 号的大小控制风机的转速 ， 从而实现闭环控制系统。 3 ． 控制系统软件设计 P LC的控制程序由一 r 个主程 序和若 干子程 序构[一 成。 由 于硬件采用的是西门 l 系 统 初 始 化 程 序 l 子的P L C ， 所以控制程序可 J r 以采用西门子公司提供的 l 电 机 启 动 程 序 I s T E P - 7 V 5 ． 5 编程软件开 上 发。 P L C 的主程序主要有如 I 故 障 检 测 I 下程序构成 系统初始化程 I 序， 电机启动程序， 模拟量 上接第1 2 7 页 A u t o C AD l2 0 0 4 P o i n t 1 2 ， 3 L i n e 1 2 ， 4 ， 3 4 ， 5 T r i m 2 应用方法 我们将整个解决方案封装成了 一套完整的控件， 软件开发人员 可以应用控件提供 的内部 函数进行扩展开发， 丰富应用系统功能。 用户只需 要安装一个很小 的展示控件 ， 就可以通 过浏览器直接对 A u t o C AD的D wg 文件进行修改操作， 并且能够根据系统功能需求的 不同， 对Ⅵ b 上的C AD图纸编辑功能进行定制， 使之符合用户的工作 及操作习惯。 3 结论 基于We b 的C AD 异步协同设计方案提供了一种较为简易的C A D 协同设计思路， 它建立在开放性的标准之上， 允许不同的客户端调 用它提供的服务。 本文在分析了技术特点的基础上， 给出了基于We b 技术的C AD协同设计系统的体系结构以及数据表示方法。 系统采用 X ML 在表示层和业务层之 间交换数据， 可以有效 地对数据执行查 询 、 语义检索等操作， 有利于产品模型数据的管理、 共享和重用。 由 于控件定义了丰富的操作函数， 因此该方案具有良好的扩展性， 能够 非常方便的应用于相关的系统开发工作中。 参考文献 [ 1 ] R o g e r S ． P r e s s m a n ．梅宏译 ． 软件工程 实践者的研 究方法． 机 械 工 业 出版社 ， 2 0 0 2 [ 2 】 唐龙 等 ． 计算机 辅助 设 计技术 基础教 程 ． 清 华大 学 出版 社 ， 2 0 0 2 [ 5 】 简争峰 ， 谭建荣． 基于X M L 的S T E P 产品数据网上描述与识别 ． 计 算机辅助设计与图形学学报， 2 0 0 I ，I 5 【 4 】 苏铁 明， 欧宗瑛等 ． 协 同C A D 系统结构及关键技 术． 大连理工 大 学学报 ， 2 0 0 3 ， 5 【 5 】 李利明 ． 杨莉军． S O A P 协议概述 ． 网络与通信， 2 0 0 2 ， 5 [ 6 】 龚琪 ． W e b S e r v ic e s 技术及其应 用． C o m p u t e r E r a ， 2 0 0 5 ， 7 [ 7 】 邓 昌智 ． 张晓钟 ． 张磊．X M L 在机械C A D 系统中的应 用． 现代 电 子技 术 ， 2 0 0 5 ， 6 强 | l 蠢 l 冀 { 强 鼍 | 暑 | |． 。 1 2 9