基于PLC的矿用通风机运行状态监控.pdf

收稿日期2019－11－25 基于PLC的矿用通风机运行状态监控 李阳 （山西潞安集团 潞宁煤业公司， 山西忻州036000） 摘要矿用通风机是保证井下良好通风效果及安全作业环境的重要设备，设计高性能的监控系统，实现对其运行状态的实时监控，成为当下关注 的重点。选用了先进的传感器、变送器等装置，以此实现通风机和关联设备的实时监控，结合PLC控制技术，完成了监控系统硬件和软件系统中 关键模块的设计研究。所设计的监控系统控制精度更高、数据输出速度更快、系统稳定性更强，能更好地实现对通风机运行状态的实时监控，保 障通风机的高效运行及井下作业安全。 关键词通风机；监控；硬件；软件 中图分类号TP277文献标志码A文章编号1009－9492 2020 06－0097－02 The Monitoring of Mine Ventilator Running State Based on PLC LI Yang （Luning Coal Industry Company, Luan Group of Shanxi, Xinzhou, Shanxi 036000, China） AbstractMine ventilator is an important equipment to ensure good ventilation effect and safe working environment. The design of high-perance monitoring system to achieve real-time monitoring of its operation status has become the focus of attention. Therefore, advanced sensors, transmitters and other devices were selected to realize the real-time monitoring of fans and associated equipment. Combined with PLC control technology, the design and research of key modules in the hardware and software system of the monitoring system were completed. The monitoring system has higher control accuracy, faster data output speed and stronger system stability, which can better realize the real-time monitoring of the running state of the ventilator, and ensure the efficient operation of the ventilator and the safety of underground operation. Key wordsventilator; monitoring; hardware; software DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 06. 038 第49卷第06期Vol.49No.06 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 李阳. 基于PLC的矿用通风机运行状态监控［J］. 机电工程技术，2020，49（06） 97-98. 0 引言 煤矿作为我国重要的能源之一，关系着国民经济的发 展。井下采矿作业中，有诸多影响生产安全的重要因素，而 保证井下良好通风乃重中之重[1]。而矿用通风机便是保证井下 通风的关键设备，担任着向井下输送新鲜空气的重任，还能 够将粉尘和有害气体排出。通风机一旦发生故障，井下有害 气体浓度升高，且氧气不足，将直接影响人身安全。可见配 备一套稳定可靠的通风机监控系统十分关键[2]。然而，目前市 场上的矿用通风机监控系统太过简单，监控范围不全面，监 控力度较弱，还满足不了煤矿生产的发展需求。改变原有监 控的模式，不断提高矿用通风机监控系统的监控水平，才能 真正地保证井下作业的安全运行。如今，在科技不断发展的 成果下，矿用设备的监控系统逐步成熟且有很好的效果，监 控系统方面都采用先进的传感器技术，搭配成熟的计算机技 术，达到了在线实时监测等多项功能，这也将是矿用通风机 监控系统的发展趋势。 1 矿用通风机系统 矿用通风系统是通风方式、通风方法和通风网络的总 称，通风系统主要由通风机和通风网络组成[3]。矿井通风系统 利用各种通风设备，将地表面空气按着既定路线源源不断地 送到井下，同时将井下浑浊的空气排到地面，还要严格保证 井下各类有害气体浓度被相关标准所允许。此外，通风系统 还可以调节井下温度， 改善井下工作环境。 矿用主通风系统具体包括了通风机、风门、风井等，其 中主通风机是核心部件，自然也是监控系统的首要对象。主 通风机主要分为离心式和轴流式两种[4]。 （1）离心式通风机结构简单、造价低、容易维修，但体 积大，且不能直接连接电动机。特性曲线平稳，常用于风量 变化大但阻力变化小的矿井；风量调节方面，多利用闸门进行 风量调节，但成本高，且操作麻烦； 反风方面，没有反风道则 无法反风；联合运转方面，多台并联使用具有较高的稳定性[5]。 （2）轴流式通风机结构紧凑、体积小且轻、高转速，可 以直接相连电动机，因此具有较高的传动效率，但这种类型 的通风机机构较复杂，且各零部件都装在机壳内，导致检、 维修不便[6]。高转速也导致个别零部件易损坏，故障较多且噪 声大，需配备消音设备。特性曲线较陡，因而适合阻力变化 大且风量变化小的矿井；改变叶片的安装角度、级数、数量 和倒流器等方法可以调节风量，简单可行，经济性能较好。 与离心式相反，多台并联运行稳定性较差。 2 通风机监控系统的硬件设计 2.1 PLC的选择 PLC的选择原则 （1）估算I/O点数时应有足够的余量备 用； （2）适当的存储器容量； （3）具有运算、控制和通信等 功能。基于这些原则，本文选择西门子旗下的S7-300系列 PLC，是一款模块化的成熟PLC，能够满足通风机监控系统的 基本需求[7]。其结构如图1所示。 97 S7-300 主要功能 （1） 快速处理指令，约 0.10.6 μs； （2） 优秀的界面，集成了人机界面，使得操作方便快捷； （3）具有诊断功能，能够监控通风机系统的功能是否正常运 行； （4）多级口令保护，能有效防止机密泄漏和程序篡改。 2.2 各功能模块的实现 （1）输入模块 S7-300的PLC自带的数字量输入模块即可将变送器采集 的电平形式的数字信号转换为PLC所需的内部信号电平。 （2）输出模块 S7-300的PLC所带数字量输出模块将输出0-1的开关信 号并以此来驱动负载，同时还具有隔离和功率放大功能。 （3）通信模块 S7-300所带CP340通信模块，该模块与其余的综合保护 装置通过接口RS485完成问答式的通信过程。 （4）CPU模块 根 据 整 个 系 统 所 需 要 的 电 流 和 功 耗 ， 本 文 选 择 CPU314C-DP的CPU模块 ，它具有两种通讯端口MPI 和DP。 （5）电源模块 该模块的额定输出功率必须大于其他所有模块所消耗功 率的总和，并保证大约 30的余量，综合考虑本文选择 PS307 10A这款电源模块。 3 通风机监控系统的软件设计 运用于S7-300相配套的编程软件STEP7进行监控系统的 软件设计，该软件通用于现有计算机系统，且支持多种语言 和方式，多项功能也为软件设计带来了极大的方便[8] （1）适 用于各个控制系统，可用于管理所有数据； （2）能够管理共 享符号，并支持导入、导出和编辑； （3） 多项硬件组态功 能，例如可编辑的控制器、赋值操作等； （4） 多种编辑语 言，LAD、STL、FBD等； （5）诊断功能，指示各个模块是否 运行正常。 图2所示为监控系统的整体结构图，以下主要介绍通风 机控制系统的软件设计思路。通风机的控制部分涵盖了PLC 控制和电气控制，硬件部分则是变频器、风机、管道及传感 器等。首先变频器带动主通风机启动，传感器获取管道中的 压力信号，再途经计算控制变频器，最终送至控制系统。传 感器传递的信号到达上位机系统会进行相应计算，这时PID 控制系统会向PLC 传递相应的信号。而PLC得到数模模块转 化后的电信号，便能对变频器的启停以及频率进行控制，这 就是对通风机电压和频率控制的实现，进而就实现了转速的 控制。这一系列控制组成了通风机的闭环反馈控制系统，将 实时控制和监控主通风机，以最终满足井下的通风要求。例 如当管路中流量过大时会造成管路的压力过大，闭环反馈系 统将向变频器发出一个信号，要求减少通风机的输出，并随 即降低通风机的电压和频率，这便达到了降低管路流量和压 力的目的，从而达到流量和压力的平衡，相反流量和压力过 小也遵循此反馈流程。实现自动调节通风机闭环反馈控制系 统是使矿用通风始终保持在正常的安全水平，达到保障井下 安全的目的。 4 结束语 通风机是保证煤矿作业安全的核心设备，其运行情况关 系着生产与人身安全，因此可靠有效地监控通风机十分重要 且必要。 本文所研究的监控系统集合了先进的传感器、变送 器等装置，能够实现通风机和关联设备的实时监控。结合通 风机的工作运行情况和井下作业环境的需求，设计了一款基 于S7-300系列PLC的矿用通风机能监控系，主要分析研究了 其系统结构组成，通过硬件选择和软件设计实现监控系统各 个模块的功能，并搭载了人机界面，具有优良的可操作性和 实用性，使得通风机的监控更加直观有效。这一系统可以提 高矿用通风机的自动化水平，提升了井下的作业安全，为煤 矿生产保驾护航。 参考文献 [1] 路志远.矿用通风机监控系统的优化改进设计[J].煤炭与化 工,2019,420889-91. [2] 张文杰.基于PLC的煤矿通风机监控系统研究[J].机电工程技 术,2019,480874-75. [3] 曹晋峰.PLC控制技术在矿用通风机上的应用[J].机械管理开 发,2019,3406217-219. [4] 芦永芳.矿用通风机监控系统设计研究[J].机械管理开发, 2019,3401205-206. [5] 侯维.关于矿用通风机在线监控技术的设计与研究[J].矿业装 备,20190472-73. [6] 张志江.基于PLC控制的矿用通风机监控系统改进研究[J].矿 业装备,20190476-77. [7] 李燎原.试析PLC控制技术在矿井通风机中的应用[J].矿业装 备,20190492-93. [8] 刘美俊,林明星,钮恒,等.掘进机PLC控制系统的设计与维护 [J].煤炭工程,2016,4811131-133. 作者简介李阳 （1990-） ，男，山西洪洞人，大学专科， 助理工程师，研究领域为自动化监测监控。 （编辑 王智圣） 图1S7-300系列PLC的结构 图2系统结构 2020年06月机 电 工 程 技 术第49卷第06期 98