基于PLC的主通风机在线监控系统设计.pdf

2 0 1 3年第 1 期 工业仪表与自动化装置 3 9 基 于 P L C 的 主通风 机 在 线 监控 系统设 计 李俊秀 ， 李明旭 1 ． 兰州石化职业技 术学院， 兰州 7 3 0 0 6 0 ； 2 ． 成都传媒集团， 成都 6 1 0 0 4 1 摘要 设计 了一种基 于 P L C控制和 MC G S监控的矿 井主通风机 自动倒机切换 系统 ， 该 系统在 运转通风机停a ky - - 作前先启用备用通风机 ， 通过其主副风门开度的联动配合， 保证风机 自动切换过 程供给风量和风压的稳定。应用实践表明， 该系统能保证稳定送风及井下作业的安全。 关键词 主通风机 ； 自动切换 ； 稳定送风 ； P L C； MC G S 中图分类号 T D 7 6 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 3 0 l一 0 0 3 9 0 3 De s i g n o f ma i n v e nt i l a t o r s o n- - l i n e mo ni t o r i n g s y s t e m b a s e d o n PLC L I J u n x i u ，L I Mi n g x u 1 ． L a n z h o u P e t r o c h e mi c a l C o l l e g e o f V o c a t i o n a l T e c h n o l o g y ； L a n z h o u 7 3 0 0 6 0， C h i n a ； 2 ．C h e n g d u Me d i a G r o u p ，C h e n g d u 6 1 0 0 4 1 ，C h i n a Abs t r a c t De s i g n i n g a mi n e v e n t i l a t o r a u t o ma t i c r e g r e s s ma c hi ne s wi t c h i n g s y s t e m t h a t b a s e d o n PLC c o n t r o l a n d MCGS s up e r v i s o r y c o n t r o l ， t h i s s y s t e m wi l l l e t a l t e r n a t e v e n t i l a t o r b e g i n wo r k b e f o r e o p e r a t e v e n t i l a t o r s t o p wo r k， t h o u g h t o u t t he ma i n a n d s e c o n d a r y v a l v e p o s i t i o n i n t e g r a t e d c o o r di na t i o n， t o g u a r a n - t e e a i r flo wi n g a n d wi n d p r e s s ur e s t e a d y s u p p l y i n t he p r o c e s s o f f a n a ut o ma t i c S wi t c h i n g ．Th e a pp l i c a t i o n s h o ws， t h i s s y s t e m c a n i n s u r e s t e a d y s u p p l y wi n g a n d e n s u r e s a f e t y d o wn h o l e d r i l l i n g o pe r a t i o n s ． Ke y wo r d s ma i n v e n t i l a t o r ；a u t o ma t i c s wi t c h i n g；s t e a d y s u pp l y wi n d；PLC；MCGS 0引言 1 控制策略 随着矿井开采深度 的明显增加和工作面的显著 延伸， 井下工作环境不间断通风的要求越来越高， 特 别对于高瓦斯突出的矿井 ， 保证通风风量的稳定是 保障井下安全作业的前提。现场运行情况表明， 采 用传统手动控制方式 ， 在进行主通风机倒机切换时， 即使短暂的停机时间 ， 也会造成井下瓦斯超限， 给安 全生产带来 隐患。为了保证给高瓦斯环境井下通风 风量和风压 的稳定 ， 该文设计 了一种基于 S 73 0 0 P L C控制和 MC G S监控的煤矿主通风机稳定送风 自 动倒机切换 的系统 ， 该 系统在运转通风机停 止工作 前先启用备用通风机 ， 通过运转风机与备用 风机 主 副风门开度的配合， 能保证风机自动切换过程中供 给风量和风压的稳定 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 2 6 作者简介 李俊秀 1 9 5 6 ， 男， 甘肃镇原人， 副教授 ， 毕业于西北 工业大学电气化专业， 主要从事电气自动化技术的教学与研究工作。 1 ． 1 主通风机的不停风切换 矿井 主通风机常规 的切换方法 是 1 关 闭运 转风机 ； 2 关闭运转风机调节风门； 3 打开备用 风机调节风门； 4 启动备用风机并使其达到额定 运行状态 。这一切换过程虽然小于 1 0 mi n ， 但井下 有一段时间处于停风状态 ， 对于高瓦斯突出的矿井 ， 容易形成安全隐患 。 如果在运转风机停运之前投入备用风机 ， 虽然 能保证连续通风的要求 ， 但形成 2台通风机 的并联 运行 。由于系统风压的急剧增加 ， 可能进入喘振区 ， 对主通风机将造成极大的危害。由此可见， 在主通 风机切换过程中避免2台通风机同时在额定状态下 运行 ， 是不停风切换风机的关键所在。 为了保证系统风量稳定的前提下， 实现运转风 机与备用风机有序 、 平稳地切换 ， 设计了主通风机不 停风自动切换的控制方案 1 开启备用风机副风 门； 2 启动备用风机并使其达到额定运行状态； 4 0 工业仪表与自动化装置 2 0 1 3年第 1 期 3 开启备用风机主风门， 开启运转风机副风门； 关 闭备用风机副风门， 关闭运转风机主风门； 4 停止 运转风机， 这一工艺过程通过在线检测与控制。主 通风机切换过程 中， 系统风量、 风压 由流量传感器和 压力传感器检测， 将其当前值送 P L C进行 P I D运算 后发出控制指令， 实时控制通风机主、 副风门的开度， 以保证倒机切换过程系统风量和风压的相对稳定。 1 ． 2 主通风机的在线监控 通风机运行的相关技术参数， 反映了通风机的 工作状态， 对其进行实时在线检测和控制 ， 是保证通 风机正常、 安全运行的前提， 也是矿井井下不间断通 风的保证 。为此 ， 系统需要对以下主要设备及其运 行参数进行监控。 1 电动机的运行参数 轴承温度、 定 子温度 、 电 压、 电流、 转速及故障状态等。 2 通风机的运行参数 流量 、 压力 、 轴承温度 、 轴承振动和运行状态等。 3 润滑油站的检测 进出口油压 、 油温 与控制 润滑油机的启停 。 4 变频器的运行参数 频率、 电流、 转速给定、 运行状态及控制状态等。 5 电动风门的工作状态 风 门开、 关操作 ， 电机 工作状态和风 门开度等。 2 系统硬件设计 整个系统 由信息管理层 、 现场控制层和设备层 3 个层次构成。系统硬件主要由配电柜、 变频器、 传 感器、 中间继电器 、 s 7～3 0 0系列 P L C 、 微机终端和 其他辅助设备组成， 如图 1 所示。考虑到矿井主通 风机的工作环境 ， 系统硬件采用模块化结构设计 ， 其 中主控设备 P L C由 1个 S 7 3 0 0 C P U 3 1 5模块、 1 个 P S 3 0 7 5 A电源模块 、 2个 S M3 2 1 D I 1 6 X 2 4 V D C 数字量输人模块 、 2个 S M 3 2 2 D 0 1 6 2 4 V D C／ 0 ． 5 A 数字量输 出模块、 2个 S M3 3 1 A I 81 6 b i t 模拟 量输入模块、 1 个 S M3 3 2 A O 41 6 b i t 模拟量输 出 模块和 1 个 C P 3 4 2 5通信模块组成。P L C处理器 为 C P U 3 1 5 ， 它具有强大的处理能力， 并集成了 P r o fi b u s D P现场总线接 口， 可以直接挂接于 P r o fi b u s D P网络 j 。P L C用西门子 S t e p 7软件进行组态 ， 所 有的开关量控制、 P I D控制、 联锁保护等均在 P L C上 实现。P L C通过 C P 3 4 2 5 通信模块和 P r o fi b u s 现 场总线与上位机操作员站和工程师站相连， 将现场 采集的数据传给上位机， 并接收上位机的各种数据 和控制命令。上位机采用 M C G S 组态软件进行人机 监控界面的设计 ， 通过人机界面对下位机进行远程 控制， 并监控所有设备 的运行情况。系统还配置了 一 个远程 I ／ O模块 E T 2 0 0 M作为 P L C的 D P从站 ， E T 2 0 0 M从站可在现场就近安装 ， 可大大减少 电缆的 敷设与维护工作。为 了节能， 主通风机采用变频控 制 ， 变频器选用西门子 MI C R O M A s T E R 4 3 O变频器。 配 电 框 变 频 器 通 风 机 工 风 门 中 间 继 电 器 电 量测量模块 _ ． J 2 3 2 ／ 4 8 5 接口 模拟量 输出模块 模拟器 输入模块 图 1 系统硬件组成图 3系统软 件设计 通信 监控计算机 不 间 断 电 源 打 印 机 工程师站 系统软件包 括 P L C控制程序和上位机监控界 面两大部分。P L C控制程序采用 S t e p 7 V 4 ． 0编程 ， 用户根据系统控制工艺要求编写主程序和各功能子 程序， 操作系统通过调用各子程序即可实现控制目 的。上位机监控界面采用 MC G S组态软件设计 J 。 3 ．1 P L C控制程序 控制程序流程如图 2所示 。系统设计了手动和 自动两种控制方式。通过手动控制 ， 操作人员通过 监控主界面可远程控制主通风机的切换 ； 自动控制 是 P L C根据检测量和给定量等参数， 自动控制通风 机及其主、 副风门的切换与开闭。 为了解决风机常规切换过程 中停风或出现喘振 的问题 J ， 实现主通风机不停风及稳定供风 自动切 换的功能， 该系统通过副风门对空排风来启动备用 通风机 的方案。在主通风机切换过程 中， 主风道的 压力、 风量由压力和流量传感器检测并送 P L C进行 P I D运算， 以决定运转风机与备用风机主、 副风门的 开度， 通过主、 副风门的联动配合， 实现自动倒机切换 过程供风压力与风量的稳定。另外， 通过操作时限控 制， 反映倒机切换的信息， 当备用通风机启动和风门动 作时间超限而 P L C没接到反馈信号时， 开始报警 J 。 圈网 一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 2 0 1 3年第 1期 工业仪表与 自动化装置 8 7 图 2 网络预测曲线图 E l ma n预测误差图 图 3 网络预测误差 曲线 图 由图3可知， 网络预测误差较小， 但是， 中间神 经元为 l 4时出现了较大的误差 ， 这是 因为训练样本 太小导致的。当中间神经元为 1 1个时， 网络的预测 误差最小 ， 也就是预测性能最好 。因此 ， 该系统 中间 层神经元的最佳数量为 1 1 个 。 3 结论 电力系统 的复杂性造成 了负荷预测 的困难 ， 该 文利用 E l ma n神经网络具有 的良好的动态特性 ， 建 立电力负荷的预测模 型进行 了数据预测 ， 仿真结果 证明 E l ma n神经网络具有动态特性好 、 逼近速度快 、 负荷预测准确等优点， 在电网用电量预测领域具有 广阔的应用前景 。 需要指出的是 ， 由于电力负荷特性变化受制 于 诸多因素， 而基础数据信息的局限、 天气信息数据的 缺乏等情况都会影响负荷预测精度。另外， 对于电 力预测来说 ， 只考虑历史数据是不够的， 对于一个实 际的时间序列 ， 它的预测值不仅取决于历史数据， 还 受许多突变因素的影 响， 由于工作 日和节假 日的负 荷不 同， 还要考虑时间特征值 j 。 为避免预测时出现相对较大 的误差 ， 可以通过 加大样本量 ， 事先提出错误数据等措施来提高预测 精度。 参考文献 [ 1 ] 邵莹， 高忠文． 基于模糊集理论的短期电力负荷预测 [ J ] ． 信息技术， 2 0 0 5 5 1 8 2 3 ． [ 2 ] 芮执元 ， 任丽娜， 冯瑞成． 基于 E l m a n神经网络的甘肃 电网负荷预测模 型[ J ] ． 现代 电力， 2 0 0 7 ， 2 4 2 2 6 2 9． [ 3 ] 飞思科技产品研发中心． 神经网络与 M A T L A B 7实现 [ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 吴微 ， 徐东坡 ， 李正学． E l m a n网络梯度学习法的收敛 性[ J ] ． 应用数学和力学， 2 0 0 8 9 1 1 41 1 9 ． [ 5 ] 王艳， 秦玉平， 张志强． 一种改进的 E l ma n神经网络算 法[ J ] ． 渤海大学学报 自然科学版， 2 0 0 7 4 2 4 3 5 ． 上接 第4 1页 4 结语 基于 s 73 0 0 P L C控制和 MC G S监控的矿井主 通风机 自动倒机切换系统 ， 已经在靖煤集 团三矿成 功应用。现场运行结果表明， 该系统不仅能保证风 机 自 动切换过程供给风量的稳定和井下作业的安 全 ， 而且还能实时、 准确地记录倒机切换过程各个设 备的运行情况， 查询系统运行过程的运行数据和报 警信息， 既解决了由于主通风机倒机停风带来的安 全隐患 ， 又避免了由于主通风机并列运行对设备造 成的危害。 参考文献 [ 1 ] 胡健． 西门子 s 73 0 0 P L C应用教程 [ M] ． 北京 机械 工业出版社， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 郑小倩， 黄明琪． 基于 P R O F I B U SD P通信研究与实 现[ J ] ． 计算机测量与控制， 2 0 0 7 ， 1 5 5 6 9 5 6 9 7 ． [ 3 ] 于励民， 马小平， 任中华， 等． 矿井主通风机不停风倒 机控制的研究与实现[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 9 1 3 3 1 3 7． [ 4 ] 陈玉彬． 矿井双风机 自动倒台的简易实现[ J ] ． 矿山机 械， 2 0 0 9 1 8 8 4 ． [ 5 ] 张巍， 胡亚非， 王启立， 等． 基于 P L C的煤矿主要通风 机在线监控系统[ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 1 9 7 2 7 4 ． [ 6 ] 徐春艳， 华钢， 刘晓东， 等． 基于 M C G S 组态软件的煤矿监 控系统的研究[ J ] ． 工矿自动化， 2 0 0 5 5 2 8 3 0 ．