基于PLC和组态软件的矿井主扇风机监控系统.pdf

P L O 与D C S PL C a n d DCS 自动化技 术与应用2 0 0 7年第 2 6卷第 0 9期 基于 P L C和组态软件的矿井主扇风机监控系统 任子 晖 ．姚 正华 ．岳明道 ．张家 兵 中国矿业大学， 江苏 徐卅I 2 2 1 0 0 8 摘要 采用西门子2 0 0 系列P L C和国产组态软件组态王， 构建了矿井主扇风机的监控系统， 实现了在上位机上对主扇风机的起、停、 正反风的自动化控制和运行参数、风门状态的实时监测。 关键词 P L C； 组态软件 ； 风机监控 中图分类号 T M5 7 1 ． 6 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 0 7 0 9 0 0 7 7 0 3 Mo n it o r i n g o f t h e Mi n e F a n b y Us i n g PL C a n d Co n f i g u r a t i o n So f t wa r e REN Z i h u i ， Y AO Z h e n g h u a ， YUE M i n g d a o ， Z HANG J i a b i n g C h ina Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，Xu z h o u， 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r p r e s e n t s a mo n i t o rin g s y s t e m b a s e d o n t h e S 7 2 0 0 P LC a n d c o n fig u r a t i o n s o f t wa r e Ki n g v i e w f o r t h e mi n e f a n ． Th e s t a r t ， s t o p a n d t h e d i r e c t i o n o f t h e f a n c a n b e c o n t r o l l e d o n t h e h o s t c o m p u t e r ． Th e h a r d wa r e a n d s o f t wa r e o f t h e s ys t e m a r e o u t l i n e d ． Ke y wa r d s P LC； c o n fi g u r a t i o n s o f t wa r e ； fan mo n i t o r 1 引言 作 “ 四 件”之_的主 搦风机， 承挂 瓦斯于 庄 I放， 向 井下输 、 新鲜空气的重任。 中国煤矿事故中近6 以上的事故是由于 瓦斯浓度过高引起的， 而中国煤矿主扇风机监测几乎全部采用的是老 壤 ， 工作 人 啦 0 现 菠 ， 而目 对风枷 蘑 垦八 I乎 没 生 敛测量。 因此， 要提商 产的安全陛， 减少现场噪音对 工作人员的伤害， 必须解决主扇风机的自毒 2 主扇风机监控系统的功能及特点 2 ． 1 功能 主扇风机监控系统实现了风机的起、 停和正反转的全自动化 控制， 运行数据的实时监测、 存储和数据的网络发布与共享。 并且 能在运行参数异常时发出报警 ， 避免了原先人工观察数据可能存在 的疏漏。系统带有冗余设计， 可以封锁P L C信号， 进行手动控制。 2 。 2 特点 1 系统稳定性高 由于采用的是西门子2 0 0 系列的P L C ， 内部采用集成电路， 无 触 控制， 元器件的寿命几乎不受影响， 与继电器接触控制装置相 收稿 日期 2 0 0 7 0 4 2 7 比， P L C更能适应工业现场恶劣的生产环境。 2 自动化集成度高 系统实现了主扇风机的自 动化控制， 自 动采集了风机几乎所 有的运行参数， 并能实现异常时的报警。系统对数据进行管理和 企业内局域网发布， 授权人员可以网上浏览监测数据。同时系统 留有扩展空间， 可对主扇风机实现在线智能故障诊断。 3 操作安全方便 匕 位机敬件采用的国产组态软件组态王， 对不同安全等级的操作 区域系统有 对应不同等级的 密码保护级别。 操作 员 必须按用户名和 对应密 登录， 才能操作锄立区域。对日常掳 蚱 外的主扇 起、停 机和反风操作实行高级别的密码保护， 只有通过口令确认才可以操作， 杜绝了非专业人员的误动作， 保证了 主扇风机的安全、稳定运行。 3 主扇风机监控系统的运行参数的分析 3 ． 1 振动信号参数 振动信号参数反应风机运行是外壳的振动情况， 包括水平和 垂直两种， 采用防爆型的振动传感器采集， 振动参数反应主扇风机 轴承的振动腈况， 根据此信号可诊断出轴承状态。 3 。 2 电参数 维普资讯 自 动 化 技术 与 应 用 2 0 0 7 年 第2 6 卷 第0 9 期 P L C 与D C S PL C a n d DCS 电参数包括电压， 电流， 有功功率和功率因数 ， 智能电量变送 器采集互感器上的电压、 电流信号并进行运算得出有功功率和功 率因数。监测电源电压和电机的负载情况。 3 ． 3 温度参数 温度参数包括电机定子温度和风机轴承的温度。 温度过高时 会烧坏轴承或电机定子。现场曾经出现过温度超限， 没有报警系 统， 工作人员没有巡查到的情况， 导致轴承烧坏。 该系统尤其重视 温度超限报警， 超限后倒机， 在保汪通风的情况下又保障设备安全。 3 ． 4 瓦斯浓度 该瓦斯浓度是风机风筒内井口的瓦斯浓度， 反应了井下抽出 气体的瓦斯浓度， 若浓度超标， 则必须及时增大通风量， 稀释瓦斯， 是极其重要的运行参数。 3 ． 5 负压和流量参数 负压和风量是主扇风机较重要的参数， 反应风机的通风能力， 流量由公式 1 根据差压计算得出。风量和负压不满足要求时 必须增大通风量。 厂■ 一 流 量 面 积 √ 否 差 压 4 主扇风机监控 系统的硬件设计 该系统的硬件主要由振动传感器和变送器、智能电量变送 器、 XMD型温度巡检仪、甲烷传感器、 负压和差压变送器、 P L C、 报警器以及上位机组成。 水平和垂直的振动传感器分别装在风筒外壳的水平和垂直 的轴线上， 采集振动速度信号， 该信号是交流量， 振动变送器将交 流量转换成4 2 0 mA的电流信号， 并传送给P L C 。 智能电量变送器从互感器采集电压和电流信号后， 进行运算 得出有功功率和功率因数等， 并与P L C进行自由口式通信。 X MD型温度巡检仪接温度探头， 在仪表上循环显示每一路 温度。在巡检仪上分别设定两个报警限输出， 当任何一路温度超 限时， 两个继电器将开关信号送人P L C 并锁存， 只要超限就驱动报 警器， 超过 “ 高高限”时， 直接停机， 并起动备用风机。 K GJ 1 5型智能遥控甲烷传感器， 具有 自动校零功能， 测量范 围0 4 ％， 输出为4 “ 2 0 mA电流信号， 并传送给P L C。 负压和差压变速器从通风机风筒的负压环上引出压力。负 压是环境大气压与引入的压力相减， 差压是在风筒截面积不同的 两点引出压力接差压变速器得出差压。 P L C的组成模块有 电源模块、 C P U模块、 模拟量输入模块、 通讯模块。担负着实时数据采集， 风门状态、温度报警状态的采 集， 驱动风门开关、风机起、停、正反转和报警器的任务。 上位机采用研华工控机 ， 运行组态软件 ， 提供操作的人机界 面， 实时显示监测参数， 提供操作界面， 并记录相关数据和事件。 实现与企业网络的链接， 使企业授权人员能在网上浏览监测数据。 硬件系统机构框图如图1 所示 5 主扇风机监控系统的软件设计 主扇风机监控系统的软件设计包括P L C软件设计和组态软 件设计两部分。 5 ． 1 P L C软件设计 1 控制程序 通风机的启停控制有自动和手动操作两种操作模式。 主扇风机 是矿井的重要大型设备， 其每一步操作中所有可能的因素都必须考 虑， 确保安全可靠。 因J } 睬 绩 在具备自 动控制的同时 也冗 涂了 手动控 制， 有相应的选择开关用以切换。在 自 动模式由工控机向P L C发出 指令， 再由P L C 根据逻辑程序实现相应动作。 在手动模式下， P L C 的 信号被封锁， 必须由专业人员来操作主扇风机的起、停和正反风。 2 实时监测 在本程序中P L C循环扫描输入点， 读入风门状态、温度巡检 仪的继电器信号， 读入模拟量输入信号 振动参数、 负压和风量信 号、 甲 烷浓度； 执行程序， 将监测数据与报警限比 较 ， 若超限， 则输 出报警信号； 处理与智能电参数模块的自由口通讯， 读入电参数， P L C 检查自身硬件； 将输出映像寄存器中的数据输送给数字输出点 【 1 I 。在平时正常情况下， 主扇风每月倒换一次风机 ， 反风情况更少。 此时主要是监测， P L C 循环执行程序采集参数并与报警限比 较。 才能执 行， 从而保{ 正 系统的稳定、可 靠。 例如， C P U未监测到风门应 有的开到位和关到位信号时， 控制 5 ． 2 组态软件设计 组态软件的主要功能是 模拟运行画面、提供良好的人机界 面、 接收从P L C 和温度巡检仪传送的实时数据， 在画面 匕 显示， 按需 求记录实时监测数据， 记录报警事件， 包括报警量、 报警值、 报警时 间、 恢复时间、 操作人员等。 操作人员可以在此人机界面上直接发 出风门开关、起、停风机和正反转的命令， P L C接收到从组态软件 传出的命令后， 驱动相应的 继电器， 执行机构执行命令。 P L C 接收操 作完成的信号， 并传送给组态软件显示， 如风门是否开关到 2 I 。 操作风机的起、 停和正反风有严 濒 ， 组 的 他按照 主扇 。 首先是操作 员凭用户口 令确认 操作员 身份， 不同的操作 员 对应不同的用户和密码， 在软件里螽 收 寸 应 下转第 3 9 页 维普资讯 H- 算 机 应 用 Co m p u t e r App l i c a t ion s 自动化技术与 应用2 0 0 7年第 2 6卷第 0 9期 用 k d树实现最邻近查询[ 2 1 ． 当KD- T r e e索引建立之后， 待插点周围的参考点的搜索就 可以在KD - Tr e e中进行了。 搜索过程实质上就是KD- Tr e e 的最 近邻查找， 主要算法可描述如下。 NNR e s u l t NNF i n d P o i n t q ，KD No d e t ，i n t c d R e c t r ， NNR e s u l me a r { d i s t 口 d i s t a n c e q ，t ． d a 切 ；／ ／ d i s t a n c e t o t ’s d a 切 i f dis t n e a r ． dis t t he n n e a r 口 NN Re s u l t t ． d a 切，dis t ； i f dis t n e a r ． dis t t h e n ／ ／q i s c l o s e r t o l e f t c hi l d n e a r 口NNF i n d q ，t ． 1 e f t ，c d l ，r ． t r i mL e f t c d ，t ． d a ta ， n ear ； n ear 口NNF i n d q ， t ． ri g h t ， c d l ， r ． t r i mR i g h t c d ， t ． d a ta ， n ear ； e l se ／ ／q i s c l o s e r t o rig ht c h i l d n ear 口NNF i n d q ， t ． r i g h t ， c d l ， r ． t fi _mL e f t c d ，t ． d a ta ， n ear ； n e a r 口NNF i n d q ， t ． 1 e f t ， c d l ，r ． t r i mR i g h t c d ，t ． d a ta ， n ear ； r e t ur n nea r； } 其中， S保存了搜索结果， 它包含了最近邻参考点及其与待插 点的距离。 6 性 能分析 假如用一个有n 个叶子结点的k d JN J 存放文件 ， 那么从根到叶 结点的路径的平均长度将l o g 2 n ， 现在把多个内结点压缩到一个 块中。将若干层的所有子结点存入一个块。这样， 一旦检索到该 结点的块 ， 必定会使用该块中的其他结点 ， 这样节省了I ／ O操作。 例如上面提到的例子， 把根和它的两个子结 氰 存入到个块中， 然 后压缩薪水为8 0 的结点和它的左子结点到一个块。 剩下薪水3 0 0 的结点放在单独的一个块中。如果查找纪录 2 5 ， 6 0 ， 只需要遍 历两个块， 尽管搜索了四个内点。这样， 提高了磁盘操作速度。 7 总结 本文介绍了 k d树的数据结构并且举例说明了 k d 树对数据 的一些操作。 采用k d 树来建立多维索引， 把B 树推广到点集， 提 高了数据的操作速度。 参考文献 【 1 】DAVI D D E WI T T， J I M G RAY． P a r a l l e l Da t a b a s e S y s t e ms t h e F u t u r e o f Hi g h P e r f o r ma n c e Da t a b a s e S y s t e ms l J I ． C o mmu n i c a t i o n s o f t he AC M／1 9 9 2 ， 3 5 ， 6 4 0 -8 0 ． 【 2 】Da v i d De Wi t t ， J i m Gr a y． P a r a l l e l d a t a b a s e s y s t e ms t h e f u t u r e o f h i g h p e r f o r ma n c e d a t a b a s e s y s t e ms [ J 1 ． Co mmu I 1 { c a t i o n o f Th e ACM， J u n e 1 9 9 2 ， 3 5 6 8 5 -9 8． 【 3 】 Rg hu Ra ma kr i s hn a n， J o h a n n e s Ge hr k e ． Da t a b a s e Ma n a me n g e n t S y s t e ms [ M】 ． 北京 清华 出版社 ． 2 0 0 2． 1 4 2 2 作者简介吴涵 1 9 8 3一 ，女，硕士研究生，主要研究领 域为计算机 图形学、虚拟现实及计 算机仿真 。 上接第7 8 页 与不同的操作安全区， 达到相应的操作安全级别才官 在 机界面腔制 相应的区域， 对达不 到相应安全级别的区域系 统自 动拒绝操作， 而保 证了 系统的可靠陛 。 操作 员 经用户名 域， 当出现误操作时， 系统拒绝执行并给出 正确的提示， 协 助操作 员 完成操作过程， 提高了系统 棚界面的友好I生和系统可靠牲。 5 ． 3 系统流程图 P L C和组态软件的设计思想是遵循主扇风机的规定操作流 程， 只有操作人员的实际操作流程与主扇风机规定的操作步骤相 符， 系统才能执行， 从而在P L C 和组态软件中形成“ 双保险” ， 保证 了系统运行的可靠性与稳定性。 系统流程图如图2 所示 图2 系统流程图 6 结束语 主扇风机监控系统在淮北矿业集团祁南矿现场运行的结果 表明， 该系统稳定、可靠 ， 提高了煤矿主扇风机的自动化管理水 平， 对主扇实现了全天候的实时监控， 并记录了所需信 息， 给 日常 维护提供大量原始数据， 并将实时数据进行了网络发布。同时系 统保留了扩展空间， 根据监测数据对系统进行在线智能故障诊断， 提供维护依据， 优化通风， 提高通风效率。 参考文献 【 1 】温照方． S I MAT I C s 7 2 0 0 可编程序控制教程【 M】 ． 北京 北京理工大学出版社 ， 2 0 0 2． 【 2 】 北京亚控科技发展有限公司． 组态王手册【 z 】 ． 北京 北京 亚控科技发展有 限公司 ． 作者简介 任子晖 1 9 6 2 一 ，男，江苏徐州人，教授，博 士生导师，主要从事计算机测控技术、故障诊断及专家系统的研 究 。 维普资讯