基于PLC和LabVIEW的矿井通风机监控系统设计.pdf

引言 矿井通风机类似于矿井生产的“肺部器官” ， 它 的功能是持续往井下输送大量新鲜空气，满足井下 作业人员的正常呼吸， 稀释井下瓦斯浓度， 使得瓦斯 浓度降到安全生产标准。矿井通风机的安全稳定运 行是煤矿企业稳定安全生产的重要保障，一旦通风 机发生故障， 会给井下安全生产带来重大事故隐患。 因此，对矿井通风机的生产运行状况进行实时监控 尤为重要。 矿井主通风机的主要监控参数包括井下风量的 大小、 抽采负压的高低、 瓦斯浓度、 通风机设备运行 温度、 各项电参数等。建立这种远程监控系统， 可以 实现通风机的安全可靠运行、事故危险隐患的预防 以及高效的通风质量。 但因为硬件技术落后， 主通风 机自动化和智能化程度不高，仍然需要安排矿工人 为监测。鉴于矿井通风存在的实际问题和安全生产 的需要，为了及时了解矿井通风机运行状态和相关 参数的波动， 本文利用 S7-300PLC 可编程控制器和 LabVIEW 设计一种全自动的矿井通风机监控系统。 1系统总体方案设计 利用冗余设计设计 PLC 为通风机的主控制器， 该系统以 S7-300PLC 为处理器,为了保障通风机的 安全稳定性， 采用双控制系统， 二者在保障系统稳 定运行时互不干扰， 能独立完成 S7-300PLC 处理器 的运行、 数据传输、 数据反馈等功能。当系统正常运 行时，由主 CPU 控制整个系统的实际输出控制， 备 用 CPU 处于准备状态，当主 CPU 发生事故或者数 据传输出错时， 处于准备状态的 CPU 立马切换到工 作状态， 保障系统继续正常运行， 代替主 CPU 的输 出控制。 应用冗余设计确保通风机的正常工作，需要一 台通风机正常使用， 一台备用， 交替运行。矿山通风 机监控对编程控制器的稳定性和兼容性要求较高， 所以选用 S7-300PLC 作为控制枢纽， 通过工业以太 网来传输相应数据， 并安装对应的传感器， 通过上位 机 完 成 通 风 机 运 行 参 数 和 状 态 的 视 频 监 控 。 LabVIEW 主要用来编写上位机软件程序，通过相应 的控制按钮完成对应操作的控制，即工业以太网和 上位机之间的各种信号数据、 操作信号、 电压信号、 电流信号、 温度信号、 瓦斯浓度信号等。 而且， 为了规 避风险， 采用两种控制模式， 一种手动、 一种自动。 系 统正常运行时都处于自动状态， 出现故障时， 可切换 到手动状态，方便操作人员及时发现问题和处理问 题。系统总体设计方案如图 1 所示。 2系统硬件构成 系统硬件包括监控上位机、 电动机、 通信电缆、 多种传感器等基本硬件。通风机由南通天烨风机制 造有限公司制造， T4-72 离心风机主要由叶轮、 机 壳、 进风口等部分配直联电机而组成， 叶轮由十个后 倾的圆孤薄板型叶片、 曲线型前盘和平板后盘组成， 均用钢板制造， 并经静、 动平衡校正， 空气性能良好， 高效率、 低噪声， 运转平稳。主轴转速 1 450 r/min, 流 量 23 61230 052 m3/h, 全压 23 61230 052 Pa。电动 机采用 YB2 系列隔爆型三相异步电动机， 电机具有 基于 PLC 和 LabVIEW 的矿井通风机监控系统设计 梁凯 （西山煤电集团职业病防治所， 山西太原030000） 摘要 为了建立主通风机远程控制自动化、 数据化、 网络化， 提出了一种基于 LabVIEW 和 PLC 的通风机监控系 统改造方案， 达到对主通风机以及相关设备的运行参数获取、 智能判断的目的， 从而通过既定程序来实现事故危 险报警、 风机倒换以及主通风机与风门的一体联动功能。经过现场测试， 系统达到了初步设计的标准， 能够对矿井 通风机整个流程进行实时远程监控， 有效地保障了矿井的安全生产， 达到了无人值守的安全生产状态。 关键词 LabVIEWPLC通风机监测监控系统 中图分类号 TD355文献标识码 A文章编号 1003-773X （2018） 09-0262-03 DOI10.16525/14-1134/th.2018.09.113 总第 185 期 2018 年第9 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 185 No.9， 2018 收稿日期 2018-08-02 作者简介 梁凯 （1991） ， 男， 本科， 毕业于国家开放大学机械设 计制造及其自动化专业， 研究方向为机械设计制造及其自动化。 图 1系统总体设计方案 电 机 电 流 测 量 风 门 启 闭 检 测 风 机 压 力 测 量 风 机 功 率 测 量 风 机 电 压 测 量 电 机 温 度 测 量 自动化技术与设计 体积小、 质量轻、 外形美观、 运行安全可靠、 寿命长、 性能优良、 安装使用维护方便等特点。 YB2 系列电动 机额定电压为 380 V、 660 V、 380V/660 V，额定频率 为 50 Hz、 防护等级 IP55、 冷却方式 IC411、 采用 F 级 绝缘，满载温升按 B 级考核，可以在温度不高于 35 ℃ （煤矿井下） 或 40 ℃ （工厂） 的环境条件下连续 运行。 把 PLC、 通信模块、 接口端点、 安全开关全部安 置在 PLC 专用控制柜里。各种运行参数由传感器实 时采集传输给上位机。 3系统软件设计 系统的软件设计主要由 PLC 控制软件和上位 机监控软件两部分组成。上位机是一个运行参数显 示和存储的软件， 由 LabVIEW 编写， 操作者通过上 位机达到与现场运行设备的数据交换和传输功能。 PLC 则主要控制通风机和电机的运行，包括各种信 号的获取功能。 上位机监控系统界面利用指示灯来显示通风机 运行模式和运行状态， 不同颜色表示不同运行状态， 绿色表示正常运行， 红色表示运行异常， 需要及时查 看并更改相关参数，这是监控系统的第一种实现功 能， 即通风机工作模式和运行状态。 第二种功能是对 通风机和电机相关运行参数的监控和存储，包括电 压、 电流、 功率、 温度等， 设定存储间隔时间， 每 5 s 保 存一次数据， 并记录好。 控制界面上显示对应操作按 钮， 方便用户随时查看各种类型的数据， 并可以切换 到对应参数的运行图上， 比较直观和具体， 便于工作 人员实时掌握和了解通风机和电机运行状态[1-2]。 系统在监控通风机运行状态时， 利用 LabVIEW 携带的一款无偿的、 大容量、 兼容性好的数据库访问 工具包 LabSQL 记录风机和电机运行参数，并存储 在数据库中。为了便于用户操作， LabVIEW 将基础 复杂数据整理成 API 函数，操作者可直接输入相关 数据和查询数据。ODBC 把数据语言和存储数据库 有效地连接在一起，操作者需要在 ODBC 上调取操 作源代码和源程序，编程语言和数据库的连接是以 数据源为基础的连接。操作者可以随时查看不同日 期的数据记录， 只需设置好查询日期， 点击 “输出当 日报表” 即可得到当天的数据记录。 为了保障监控系统的可靠运行，需要使用稳定 性高、 可靠性高的系统， 拟采用 S7-300PLC 控制器 作为系统的核心控制器，该控制器具有较高稳定性 和准确度。 各种电压、 电流、 功率、 温度信号采集和传 输主要由 PLC 程序来完成。为了满足现场实际应 用， 采用每秒千兆的工业以太网来完成实时传输， 在 上位机监控界面实现相应操作的完成，包括启停通 风机、 显示、 存储相关数据， 故障异常报警和应急方 案陈述。风机启动程序如图 2 所示。 为了达到井下作业安全稳定生产，系统设计两 种操作模式， 一种是自动操作， 另一种是手动。正常 情况下，系统在自动状态下运行，两台风机轮流工 作， 工作间隔时间为 3 h。 当某一台风机出现异常时， 风机无法完成交替使用，系统会发出警报并在监控 界面显示通风机异常，使得维修人员能及时解除安 全隐患。 一旦发生故障或者设备处于维修阶段时， 需 要采用手动模式来操作风机[3]。 4远程监控技术 监控分两个方面一是远程实时监控主通风机 运行参数并记录参数， 二是视频监视， 主要包括主通 风机、 高低压柜、 风门、 防爆盖等主要设备及现场温 度、 风量等环境参数。 根据这两部分的分区监测功能 和特点， 利用传统的 C/S （客户机 / 服务器） 结构远程 事故判断系统和基于 B/S （浏览器 / 服务器） 模式的 远程事故预防结合方式[4]。 1） C/S 模式 网络连接具有三层结构。C/S 模式 即客户端 / 服务器模式，是一种三层结构的网络连 接模式。用户下载 APP 即可在客户端输入服务请求 以及疑难咨询和部分逻辑功能，同时服务器端则为 用户的请求做出回应和解答，并将具体操作方案反 馈给用户。 优势在于数据库储存在单独服务器上， 保 障了数据的安全性， 明确了不同软件的分工任务， 阻 止了第三方数据访问者对数据库的破坏和非法收 集。缺点是客户必须使用既定应用软件，缺乏机动 性， 而这种应用软件必须在特定环境下应用， 编写程 序的修改也将导致用户的更新升级。 2） B/S 模式即浏览器 / 服务器模型。 不同地域的 服务器可以接收不同地方的计算机用户请求，用户 操作端一致使用浏览器，服务器根据用户请求发出 图 2风机启动 PLC 程序 I0.3 风机启动 M0.2 手动 I0.4 风机启动 I0.5 1 号风机 M1.0 1 电压过 高 M1.2 1 电流 过大 Q0.1 1 号风 机启动 Q0.1 1 号风 机启动 M0.3 自动 1 M0.0 1 期 I0.3 风机启动 M0.2 手动 I0.4 风机启动 I0.5 2 号风机 M1.0 2 电压过 高 M1.2 2 电流 过大 Q0.1 2 号风 机启动 Q0.1 2 号风 机启动 M0.3 自动 1 M0.0 2 期 梁凯 基于 PLC 和 LabVIEW 的矿井通风机监控系统设计2018 年第 9 期263 相应处理， 然后反馈到浏览器。优点是灵活机动， 客 户只需安装浏览器软件， 极大地方便了使用程序， 增 加了用户体验。缺点是服务器与客户只能是单向请 求， 即服务器只能对客户机的请求做出应答， 二者缺 乏互动性。 3） C/S 和 B/S 两种模式结合应用。B/S 模式应用 于远程视频监控， 通过网络发布的形式， 利用 WEB 服务器连接上位机监控系统，方便用户在浏览器端 随时浏览。C/S 模式应用于远程监测及监控， 上位机 监控系统连续为远程危险控制平台传输危险事故特 征参数。系统结构原理如图 3 所示。 5结语 基于 PLC 和 LabVIEW 的通风机远程监测监控 系统， 实现了远程控制网络化， 提高了通风机智能化、 自动化和安全稳定性， 保障了设备的安全运行， 降低 了事故发生率， 实现了减员增效的目标， 提升了矿井 现代化水平。 通过核心控制器将不同数字信号传输到 上位机监控界面， 完成了对运行状态和运行参数的收 集和存储， 达到了对通风机的实时监控。通过现场验 证， 初步达到预计功能， 但仍需优化和升级。 参考文献 [1]王宁， 赵煌亮.主通风机在线监控系统的改进设计[J].煤矿机 械， 2013， 34 （1） 186－187． [2]胡晓东.矿井通风机倒机系统的研究与改造[J].煤矿机械， 2012， 33 （8） 180－181． [3]周美兰．PLC 电气控制与组态设计[M].北京 科学出版社， 2003． [4]张国德， 李红.PLC 原理及应用[M].北京 机械工业出版社， 2010． （编辑 赵婧） 图 3系统结构原理 Design of Mine Fan Monitoring System Based on PLC and LabVIEW Liang Kai （Occupational Disease Control Institute of Xishan Coal and Electricity Group, Taiyuan Shanxi 030000） Abstract In order to establish the automation, data and network of the remote control of the main ventilator, this paper puts forward a scheme of reing the fan monitoring system based on LabVIEW and PLC, which can obtain various operation parameters of the main ventilator and related equipment. Intelligent judgment, so as to achieve the accident risk alarm, fan switching and the main fan and air valve linkage function through the established procedures. After field test, the system reaches the standard of preliminary design, and can monitor the whole flow of mine ventilator in real time and remotely. It can effectively guarantee the safe production of mine and reach the safe production state of unattended. Key words LabVIEWN; PLC; fan; monitoring and control system 远程画面监控 IE 浏览器 上位机监控系统 WINCC 组态 设备远程监控 应用程序 PLC 控制系统 S7-300 B/S C/S Design and Analysis of Mine Hydrology Monitoring System Du Guorui （Liuwan Coal Mine, Fenxi Mining Group, Xiaoyi Shanxi 032300） Abstract This paper mainly analyzes the whole structure and function design of the existing mine hydrological monitoring system, including intelligent sensor, signal conversion sub-station, communication interface, monitoring computer and so on. It is concluded that the design of mine hydrological monitoring system can provide intelligent and reliable research for monitoring mine hydrological ination and for early warning of possible flood hazards. Key words hydrological monitoring; system design; signal conversion （上接第 239 页） 第 33 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 264