基于PLC的主要通风机智能控制系统设计及应用.pdf

2 0 1 3 年第 1 0 期 中州煤炭 总第 2 1 4 期 基于 P L C的主要通风机智能控制系统设计及应用 李海 润 ， 崔楠 楠 河 南 煤 业 化 工 集 团 永煤 公 司 新桥 煤 矿 ， 河 南 永城4 7 6 6 0 0 摘 要 介 绍 了煤矿主要通风机在 线监控系统的原理 、 组成及功能。该系统选用 S 7 3 0 0 P L C作 为控制核 心， 通 过各类传感器 实现通风机参数 的采集 ， 并通过通信和数据 转换 ， 最终在触摸屏和上位机上显示 出来。该 系统 具有安全可 靠、 操作方便等特 点， 确保 了煤矿 主要通风机运行的安全和稳定。 关键词 煤矿主要通风机 ； P L C； 智能控制 中图分类号 T D 4 4 1 文献标 志码 A 文章 编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 3 1 0 0 0 1 1 0 3 De s i g n o n I nt e l l i g e nt Co nt r o l S y s t e m o f M a i n Ve nt i l a t o r Ba s e d o n PLC a nd I t s Ap pl i c a t i o n Li Ha i r un． Cu i Na n n a n X i n q i a o C o a l Mi n e o f Y o n g m e i g r o u p of H N C C， Y o n g c h e n g 4 7 6 6 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t I n t r o du c e d t h e p r i nc i p l e， c o mp o s i t i o n a nd f un c t i o n s o f mi n e u s e d ma i n v e n t i l a t o r i n mo n i t o r i ng s y s t e m． The s y s t e m s e l e c t s t he s 7 3 0 0 PLC f o r i t s c o r e c o nt r o l ， v e n t i l a t o r pa r a me t e r s we r e c o l l e c t e d b y s e ns o r s， t he n t h r o ug h t h e c o mmu ni c a t i o n a n d da t a c o nv e r s i o n b e t we e n PLC a n d PC， t he r e s u l t s we r e u hi ma t e l y d i s p l a y e d o n t h e t o uc h s c r e e n a nd u pp e r c o mp ut e r ． The s y s t e m h a s t h e c ha r a c t e r i s t i c s o f s a f e t y a nd r e l i a b l e o p e r a t i o n， a n d h a s e n s ur e d t h e s a f e a nd s t a b l e r u nn i ng o f ma i n v e n t i l a t o r i n c o a l mi ne ． Ke y wo r ds ma i n v e n t i l a t o r o f c o a l mi ne； PLC； i n t e l l i g e nt c o nt r o l 矿 井 主要通 风 机不 仅担 负 向井 下输 送新 鲜 空气 的任务 ， 还 能排 出瓦 斯 、 粉 尘 等 有 害 气 体 ， 具 有 大 功 率 、 高电压 、 大电流 的特点 。由于煤矿井 下环境恶 劣 ， 通 风机 发生 故 障 的概 率 较大 。所 以 ， 实现 主要 通 风 机 的智 能控制 十分必 要 。 。 新 桥煤 矿 瓦斯偏 低 ， 井 深 5 8 4 I n， 采用 中央 并 列 式通风方式 ， 即副井进风 ， 主井回风。配有 2套型号 为 F B C D Z ． 1 0 ． N o 2 93 5 5 k W 的防爆对旋轴 流通风 机 ， 2套风 机 互 为 备 用 。为 实 现 通 风 机 各 种 性 能 参 数 和运 行状 态 的 实 时 监 测 ， 进 行 了 K J C 一 2型 主 要通 风机在线监控系统的研究与应用 ， 监测 内容包括负 压 、 压 差 、 大气 压 力 、 风 速 、 风 量 、 效 率 、 电 动机 温度 、 累计 运行 时 间 、 累计 流量 ， 电动机 中 的电压 、 电流 、 功 率 ， 电 动机 、 风 门的运 行状 态 等 。 1总体设计 方案 K J C 一 2型在 线监 控 系 统 以 S 7 3 0 0 P L C作 为控 制 核心 ， 主要 由 P L C、 触摸屏 、 各类传感器 、 工控机等元 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 2 3 作者简 介 李海 润 1 9 8 5 一 ， 男 ， 山东 潍坊人 ， 助理工 程师 ， 2 0 0 6年 毕业于 山东科技 大学 ， 现 从事机电管理工作。 件 组成 图 1 。 风 电 门 动 触 上 控 机 摸 位 制 启 屏 机 停 T - V - - - 7 - 3 O O P L C 上 上 上 上 上 上 土 上 上 电 大 动 电 风 风 负 压 气 风 风 机 动 机 门 压 差 压 量 速 电 机 振 位 力 压／ 温 动 置 电 度 流 图 1主要通风机在线监测 系统 2 P L C模块选择 P L C即可编 程逻 辑 控 制 器 ， 是 工 业 控 制 的 核 心 部分 ， 专为在工业环境应用而设计 的。主要用来进 行数字运算操作， 以微处理器为基础 ， 是一种通用控 制装置。其功能丰富， 可实现各种复杂的控制； 运行 可靠 ， 可适应各种恶劣环境 。目前 已广泛代替了传 统 的继 电器控 制 方 式 ， 在工 业 生 产 上 应用 广 泛 。另 外 ， P L C不仅具有各种控制功能 ， 还可以与其他控制 】 1 2 0 1 3 年第 l 0期 中州煤炭 总第 2 1 4期 设备 进行 通信 ， 组 成 自动化 控制 网络 。 系 统选用 的 S 7 - 3 0 0 P L C主 要 包 括 中央 处 理 单 元 、 存储器 、 I ／ O模块 、 电源等 ， 其硬件结 构 图 2 与 微型计算机相似。其中， S M 3 2 1是 s 7 3 0 0的数字量 输入 模块 ， 具 有 3 2个输 入 点 ； S M 3 2 2是 数 字 量 输 出 模块； S M 3 2 3是数字量输入／ 输 出模块 ， 将输入 和输 出集成在一个模 块上 ， 例如 ， D I 1 6 ／ D O 1 6是指数字 量 1 6输 入／ 1 6输 出 ， 该 模块 主要 用 于检 测 低 压 柜 的 控制方式 包括 手动 、 远 控 、 近控 、 高压控 制柜状 态 ， 电动机接 触 器 、 热继 电器 、 电动机 正反 转 、 电动机 工频变频启动、 风门电动机断路器状态及风门开关 到位状态； C P 3 4 0是 R S 4 8 5通信模块、 C P 3 4 3是工业 以太网通信模块 ， 主要负责与低压柜 内的电力参数 采集模块 、 上位机等进行通信 ； 模拟量输入模块选用 S M 3 3 1 ， 主要 对 通 风 机 负 压 、 压差 、 大 气 压 力 、 风 速 、 风量 、 效率 、 振动、 电动机温度以及转速 、 电压 、 电流 、 功率 、 低压柜的电力参数等进行 A ／ D转换 。 电源模块 P S 3 O 7 高 压柜 综保 I* - - C P U 3 l 3 C I 1 触摸屏S I M A C 风门 状态 I- - - “ S M 3 2 l D I 3 2 ． 1 低压柜控制方式 电动机工变频启动 S M 3 2 2 - - t风门 电动 机分合闸 电 动机 正反转} 一 D 0 3 2 - - -- t 高压 柜分 合闸 S M 3 3 l 一 负压传感器 AI 8 Xl 2 Br r 西门予智能传感器 S M 3 3 l , - - I 振动传 感器 变 频器输出 转速 F - - , A I 8 X 1 2 B I T 温度传感器 S M 3 3 l 高压柜电压 电流等 AI 8 Xl 2Br r 低压柜电力参数 通信模块 温度巡检仪 C P 3 4 0 R s 4 2 2 ／ 4 8 5 以太网通信 --, I 光电 转换器 模 块C P 3 4 3 ● I 交换机 ● l 上位机 图 2 7 0 0 P L C硬件结构示意 3 硬件 系统设计与接线原理 3 ． 1负压 传感 器 系统选用 K G Y 3 A型矿用 负压传感器。该传感 器采用高灵敏 度微型硅 压力传感 元件 ， 量 程 0～5 k P a ， 输出信号 1 5 m A。电流信号通过 P L C模拟量 l 2 输入 模 块 S M3 3 1 ， 转 换 成 数 字 量 后 送 人 C P U 3 1 3 c 中。矿井 每个 风 道 内各 安 装 1 个 负 压传感 器 。 3 ． 2温 度传 感器 为 了对 电动 机 内部 实 时 温 度进 行 监 测 ， 系统 需 选用 2 0只 p t l 0 0温度 传 感 器 。p t l O 0是 铂 热 电 阻 ， 根据其阻值和温度变化 成正 比的特 性工作 ] 。工 作量 程 一2 0 0～ 2 0 0℃ ， 输 出 4 2 0 mA。模 拟 量 输入模 块 S M3 3 1将 电流信 号转 换成 数 字量 送 到 C P U中。每个电动机需要 5个传感器 ， 其 中， 每个电 动机 的 A、 B、 c三相定 子 和前后 轴 承各 安装 1个 ， 这 2 0只传 感 器均 由 电动机 制作 厂家 内置 。 3 ． 3压 力 、 压 差 、 流量 传感 器 系统 选 用 S I T R A N S P D S I I I智 能 压 力 传 感 器 ， 实 时监 测通 风 机 内大 气 压 力 、 压 差 及 风 量 。该 传 感 器除了测量精确和高耐用外 ， 还具有 自诊断功能 ， 包 括过程监测和仪表 自身监测 ， 一旦传感器出现故障 ， 可 以仅替换故障部件 ， 无需重新校准。另外 ， 该传感 器带有 P r o fi b u s 通信 ， P L C可 以非常方便 地读取传 感 器 采集 到数据 。 3 ． 4振 动传 感 器 电动机在运转期 间， 由于转子转动会带动整个 通风 机振 动 。为 了对 通 风 机 的振 动 速 度 进行 监 测 ， 需选用 8只 B C D． 2 1防爆磁电式速度传感器 ， 在 每 个通 风机 外壳 的两 侧各 安装 1 对 水平 和竖 直 方 向的 振动传感 器。该 传感 器输 出 4～2 0 mA的 电流信 号 ， 并通 过模 拟量 输入 模 块 S M3 3 1将 电 流信 号 转 换 成 数字 量送 到 C P U中 ， 进 而通 过 触 摸屏 实 时监 测 通 风 机 的振动 状况 。 3 ． 5高压柜 综保 为 了 更 好 地 保 护 高 压 柜 的 电 气 元 件 ， 选 用 WG B ． 1 5 1 N微机 电动 机保 护装 置 。该 装置 采 用 标准 化软件 模 块 化 组 态 ， 可 构 成不 同 的 保 护 功 能 配 置 。 另外 ， 综保装置可与 P L C的 C P U模块进行通信 ， 可 通过通信上传故 障报 告 ， 进行 对时 、 定 值调用 和修 改 、 定值区切换 、 合闸、 跳闸等操作 ， 以实现对高压柜 内各参数 和性 能 的全 程监 控 。 3 ． 6温 度巡 检仪 为 了对 通风 机 电动 机 内三 相 定 子 、 前后 轴 温度 巡 回监测 ， 采用 X MD 5 0 2 1 6多路温度巡检仪。该装 置与 p t l O 0温度传感器配套使用 ， 最高监测 1 6路温 度， 并具有 R S 4 8 5通信接 口， 能很好地 与 P L C进行 数据 交换 。 3 ． 7触摸 屏 2 0 1 3年第 1 0期 李海 润 。 等 基 于 P L C 的主 要通 风机 智能 控制 系统 设计 及应 用 总第 2 1 4期 选 用 S I MA T I C P A N E L触 摸 屏 实 时 监 测 通 风 机 的参数和性能。该触摸屏具有强大 的通信能力 ， 集 成的 R S 4 2 2 ／ 4 8 5通 信 口可 与 P L C建 立稳定可靠 的 通信连接 。同时 ， 触摸屏配套 Wi n C C f l e x i b l e 组态软 件 ， 可执行一系列各种组态任务的编辑器和工具 ， 也 可根 据需 要设 置 自己的工 作环 境 。 3 ． 8光 电转 换器 和 交换机 光电转换器又称千兆光纤 收发器 ， 是一种快速 以太 网， 其数 据传 输速率达 1 G b ／ s ， 可使原来 的快 速以太网平滑升级并能充分保 护用户原来 的投资 。 以太 网交换机实质上是一个多端 口网桥 ， 以太 网采 用共享总线型传输媒体方式的局域网。交换机能同 时连 通 多对 端 口 ， 使 每 对 相 互 通 信 的主 机 都 能 像 独 占通信媒体那样进行无冲突地传输数据。通过光 电 转换器和交换机 ， 最终实现 P L C与上位机通信 。 3 ． 9上 位机 上 位机 部 分包 括 工 控 机 、 U P S 、 打 印机 等 。工 控 机与 P L C采 用 R S 4 8 5通信接 口， 可 以监控 、 设 置通 风机的参数 ， 控制通 风机启停 、 风门开关 、 电动机正 反转 ， 进行数据处理及查询等 ， 打印机负责打印各种 记录数据和通风机的性能参数。 4应用效 果分析 煤矿井下环境恶劣 ， 使用通风机控制系统在风 机 出风 口安装 传 感器 、 变送 器 后 ， 风机 参数 可 以直接 在地面中心站及管理 网络工作站反 映出来 ， 可帮助 调度 室及 时掌 握通 风机运 行状 况 。该 自动监 控 系统 可 实现通 风机 的远 控 、 近控 和手动 3种 控制方 式 ， 提 高了劳动生产率 ， 大大降低了发生意外事故的概率 ； 实现了在矿井含尘 、 潮湿、 气流脉动的恶劣环境下通 风 机性 能 的在线监 测 功能 ， 用 来 监 测 主要 通 风 机 各 种性能参数 ， 以对存在的隐患迅速作出处理决策 ， 避 免可能发生的事故 。该系统不仅可以实现通风机风 压 、 风量及其他安全参数的实时在线监测 ， 还可定期 核 定计算 矿 井实 际需 求 风 量 ， 为 确 保 通 风机 正 常 运 行 、 保证煤矿安全生产 、 减员增效提供了新的技术手 段 。 参 考 文献 [ 1 ] 王中华 ， 李巧梅． 无人值守通风机在新桥煤矿的应用 [ J ] ． 矿 山 机械， 2 0 0 7 6 1 5 3 1 5 5 ． [ 2 ] 王利华 ， 王小松 ， 魏广金． 矿 井主通风 机监控 系统的设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 O L O 1 2 9 6 - 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7 1 7 ． [ 4 ] Y U B， K HA I R A W． N u m e r i c a l m o d e l i n g o f r o c k r i d g e b r e a k a g e i n r o t a r y c u tt i n g [ C] ． A R MA g e n e r a l me e t i n g ， Va n c o u v e r ， B r i t i s h C o l u mb i a， Ca n a d a， 2 0 0 7． [ 5 ] 王峥荣 ， 熊晓燕 ， 张宏． 基于 L S D Y N A采煤机镐型截齿截 割有 限元分析[ J ] ． 振动测试与诊断 ， 2 0 1 0 3 0 1 6 3 ． 1 6 5 ． [ 6 ] 周游 ， 李 国顺 ， 唐进 元． 截 齿截 割煤 岩 的 L S - D Y N A仿 真模 拟 [ J ] ． 工程设计学报 ， 2 0 1 1 1 8 1 0 3 ． 1 0 8 ． [ 7 ]HU A N G H E， D E T O U RN A Y E， B E L L I E R B ． D i s c r e t e e l e m e n t m o d e l l i n g o f r o c k c u t t i n g [ J ] ． P r o c e e d i n g s 3 7 t h U． S ． R o c k Me c h ． S y ru p， C o l o r a d o ， 1 9 9 9 1 1 2 3 1 3 0 ． [ 8 ] N ． G u n e s Y i l ma z ， M． Y u a k u l ， R． M． G o k t a n ． P r e d i c t i o n o f r a d i a l b i t c u t t i n g f o r c e i n h i g h - s t r e n g t h r o c k s u s i n g m u l t i p l e l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f R o c k Me c h a n i c s＆ Mi n ． i n g S c i e n c e s ， 2 0 0 7 4 4 9 6 2 - 9 7 0 ． 责任编辑 许久峰 1 3