基于PLC与上位机的矿井通风机监控系统研制.pdf

2 0 1 4年第1期 煤矿机 电 6 5 基于 P L C与上位机的矿井通风机监控系统研制 陈冬梅 ， 孔祥振 ， 陈庆光 ，张永超 1 ． 中国矿业大学 机电工程学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 0 ； 2 ． 山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 2 6 6 5 9 0 摘 要 为达到实时监控、 工况调节、 远程操作与集 中管理功能， 研制 了矿井通风机监控系统， 即 在上位机 系统和 P L C控制系统的基础上， 采用变频的方式调节风机转速 ， 以实现风量 的无级调节。 该上位机 系统具有在线监测和远程控制功能， 能实时监测和控制通风机设备 的运行； P L C控制系统 与上位机通过通信电缆连接， 上位机发 出的控制命令最终 由 P L C实现。该监控系统经实际应用结 果表 明， 具有控制精确 、 运行稳定可靠、 自动化程度高等优点， 其节能效果 明显， 并可实现通风机房 的无人值 守。 关键词 通风机； 上位机； 可编程控制器 P L C ； 变频器 中图分类号 T D 4 4 1 ； T P 2 7 7 ． 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 1 4 0 1 0 0 6 5 0 3 Re s e a r c h o n Mo n it o r a n d Co n t r o l Sy s t e m o f Mi n e F a n Ba s e d o n P L C a n d Ho s t Co mp u t e r C h e n D o n g m e i ， X i a n g z h e n ，C h e n Q i n g g u a n g ， Z h a n g Y o n g c h a o 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0， C h i n a A b s t r a c t I n o r d e r t o a c h i e v e r e a l t i m e m o n i t o r ，w o r k i n g c o n d i t i o n a d j u s t m e n t ，l o n g d i s t a n c e o p e r a t i o n a n d c o n c e n t r a t e d ma n a g e me n t ，t h e mo ni t o r i n g a n d c o n t r o l s y s t e m i s d e v e l o p e d b a s e d o n h o s t c o mp u t e r s y s t e m a n d P LC c o n t r o l s y s t e m．T h e fr e q u e n c y c o n v e r s i o n m e t h o d h a s b e e n u s e d t o a d j u s t t h e r o t a t i n g s p e e d o f t h e f a n ，S O t h e a i r flo w r a t e c a n b e r e g u l a t e d i n n o n s t e p mo d e． Th e ma i n f u n c t i o n s o f t h e P C mo n i t o r i n g s y s t e m i n c l u d e o n l i n e mo n i t o rin g a n d r e mo t e c o n t r o 1 ．T h e r u n n i n g c o n d i t i o n s o f t h e fan c a n b e mo n i t o r e d a n d c o n t r o l l e d i n r e a l - t i me b y t h e s y s t e m。T h e P L C s y s t e m i s c o n n e c t e d t o t h e P C t h r o u g h c o mmu n i c a t i o n c a b l e s ，a n d t h e c o n t r o l c o mma n d s i s s u e d f r o m PC a r e fin a l l y i mp l e me n t e d b y PL C s y s t e m． I t ha s s ho wn b y a p p l i c a t i o n t ha t t he s y s t e m h a s t h e a d v a n t a g e s o f p r e c i s e c o n t r o l ，s t a b l e a n d r e l i a b l e o p e r a t i o n a n d h i g h d e g r e e o f a u t o ma t i o n，e t c ．Mo r e o v e r ，t h e u s e o f t h e s y s t e m ha s t he e f f e c t o f e n e r g y s a v i n g o b v i o u s l y ． Un a t t e n d e d o p e r a t i o n o f t h e f a n c a n a l s o b e r e a l i z e d b y u s i n g t h e s y s t e m． K e y w o r d s f a n ；h o s t c o mp u t e r ； p r o g r a m m a b l e l o g i c a l c o n t r o l l o r P L C ；v a r i a b l e e q u e n c y d ri v e 0 引言 通风机是保 障矿井安全生产 的关键设备之一 ， 它供给井下工作人员足够 的新鲜空气 ， 冲淡有害气 体和浮尘， 创造良好的工作环境。通风机监控系统 根据矿井建设和开采初期 ， 井下用风量小且经常变 化的情况 ， 采用上位 机 、 可 编程控 制器 P L C配合大 功率变频器控制通 风机运行 ， 并利用上位机与 P L C 和变频器联网通信实现对现场设备 的监测 ， 对通风 参数进行准确调节 。该系统可以实现对通风机设备 的在线监测和集控控制 ， 记 录通风设备的实时运行 参数 ， 预防并避免安全事故的发生。 1 基于 P L C与上位机的矿井通风机监控系统 现场 主 要 设 备 由两 块施 耐德 Q u a n t u m 系列 P L C、 两台叶轮直径为 2 8 0 0 mm的 MA F型轴流式 通风机、 两台 1 1 2 0 k W 的变频器和润滑站组成 ， 一 套运行另一套备用。根据设备特点， 通风机监控系 6 6 煤矿机 电 2 0 1 4年第 1 期 统构建为冗余结构。 1 ． 1 现场设备结构 现场设备的整体框架结构设计如图 1 所示 。 中 央 控 制 层 ●●●●●● 现 场 控 制 层 图 1 设 备结构框 图 现场控制机为施耐德 Q u a n t u m系列 P L C， 上位 机采用 Mo d b u s 通信 协议 与其进行 通讯 。每台通 风机均装有温度、 压力、 振动等现场传感器， 对设备 的温度 、 压力 、 振动进行实时监测 。现场各种数据被 采集到 P L C， 经过 P L C的运算 、 判断后 的数据经 A D ． A M转换器转换后进人上位机 ， 数据在上位机组态 画面中实时显示。系统对设 备 的运行进行 动态监 测， 能够根据得到的数据对现场设备进行自动控制， 并对异常数据和状态进行报警。 1 ． 2 系统软件构成 监控统软件设计包含两部分 组态软件设计和 P L C程序设计 。 1 ． 2 ． 1 组态软件设计 组 态软件采用 北京某公司开发 的力控组态软 件 ， 对系统进行集 中管理和控制。组态软件 由开发 环境和运行环境组成。用户在开发环境中建立数据 文件 ， 生成最终 的图形 目标 应用程序 ； 在运行环境 中， 目标 程 序 被 装 入 计 算 机 内存 并 投人 实 时运 行 _ 1 j 。在两个 环境 中起到核心作 用的是实时数据 库 2 J 。上位机程序运行原理 图如图 2所示。 1 ． 2 ． 2 P L C程序设计 P L C程序是系统进行分散控制 的基础 和关键 ， 编程软件采用 与 P L C配套 的 U n i t y P r o X L， 程序 的 主体可分为控制程序和实时监测程序。 控制程序包括手动控制 和 自动控制两种模式 ， 程序对现场的高压柜 、 变频器 、 执 行 电动机进行控 制。两种控制模 式均可 以完成对 通风机 的启停控 制、 正反转控制和倒机控制 ， 控制程序还可实现设备 的故障 自动倒机。 实 时 数 据 库 数 据 库 内 核 1 ／ O 通 讯接 口 界 面 系 统 言 e l 堕 室 I l J l 銮 塑 墨l 图2上位机运行原理图 实时监测程序主要对系统中采集的开关量和模 拟量数据信号进行逻辑判断和数学运算 ， 为控制程 序提供数据支持 ， 同时运算的结果传送给上位 ， 在上 位机中会有相应的显示 ， 并对异常数据和状态进行 报警。 1 ． 3 与传统控制系统的比较 传统控制系统采用调节动叶角度的传统控制方 式 ， 其调节步骤繁琐且精度低 ， 不易满足现场对风量 的要求 。而本监控系统具有如下的优点 1 P L C控制系统采用双 C P U， 能可靠地完成控 制功能。 2 上位机程序采用冗余组态软件系统， 系统更 加安全可靠 。 3 采用变频器对通风机转速进行无极调节 ， 可 精准调节通风参数。 4 系统可根据现场应用需求配置 ， 灵活性强 ， 系统监控内容全面 ， 操作又简单 。 2 监控系统的功能和特点 2 ． 1 监控系统的功能 主要功能包括 1 对通风机 的运行状态进行控制 ， 如启停 、 正 反转 、 转速和倒机。 2 趋势 曲线查询功能。 3 数据报表查询与打印功能。 4 报警功能。 2 ． 2 系统特点 2 ． 2 ． 1 实现对通风参数的精确控制 由流体力学和叶轮机械中的相似理论可知 ， 通 风机 的特性参数 Q 风量 、 日 风压 、 Ⅳ 轴功率 与 2 0 1 4年第 1 期 煤矿机电 6 7 n 转 速 关 系 为 ， H 2 ， N 。 从 以上关系式可知 ， 通过精确调节通 风机转速 即可 以准确的调节通 风参 数。监控 系统 以工业 P L C为 核心 ， 以变频器为控制工具 ， 实现对通风机转速的控 制。变频器以 V ／ f 模式工作， 频率的调节范围是 1 5 ～ 5 0 Hz 。系统通过变频器调节通风机转速 ， 进而控 制通风参数。 2 ． 2 ． 2 实现风门打开角度 的精确控制 风 门是对 风量进行调节的辅助装 置 ， 其转动范 围是 0 。～9 0 。 。现 场使 用某公 司生 产 的控制 电动 机 ， 并采用 4～ 2 0 mA控制信号对 电动机 的转动角 度进行准确控制 ， 电动机 的转动经输 出轴和传动机 构作用于风 门， 从而准确控制风门的开度。P L C通 过采集控制电动机 的反馈信号 ， 经计 算后得 到风 门 开度 ， 计算后 的结果会在上位实时的显示。 2 ． 2 ． 3 上位机与变频器的通信 监控系统中通风机主电动机的运行状态由变频 进行控制 ， 变频器的输 出的参数 即为电动机 的输人 参数。力控上位机通过变频器进行通信 ， 可以准确 获取 电动机 的运行参 数 电流 、 电压 、 有 功功率 、 频 率 、 转速 、 功率因数。获取的参数会在上位机中进行 实时显示 ， 精确监测 电动机的运行状况 ， 通过通信省 却了许多现场接线 ， 同时避免 了在上位机中对某些 参数进行二次计算。 3系统节能估算 监控系统采用变频器对通风机进行调速进而调 节风量 ， 不需要 调节风 门的开度对风量进 行调节。 采用风门调节系统流量时 ， 电动机输入功率 P， 的计 算， 可用 G B 1 2 4 9 7 三相异步电动机经济运行 强制 性 国家标准实施监督指南中的计算公式 ， 即 P L [ 0 ． 4 50 ． 5 5 Q ／ Q ] P k W 1 式中， P 为电机输入功率； q为通风机实际流量； Q 为风机额定流量； P 为电动机额定输入功率。 采用变频器进行风量调节时， 将风门开到最大 ， 减小管路阻尼 ， 系统能耗也大为减小 。采用变频器 时电动机的输入功率为 P ， 采用流体力学中的计算 公式对其进行计算 P fQ 2 式 中， 日为通风机运行时的压力 。 按通风机特性参数与转速的关系可得 P P Q ／ Q 3 利用式 1 、 式 3 式可 以计算系统 的节 电率 K 一 Pl 1-0 4 5 0 5 5 O ／ O 4 ． ． ， 当变频器 以2 5 H z 的输 出频率运行时 ， Q ／ Q 0 ． 5 ， 将其代人式 3 可得节 电率 K 0 ． 5 7 4 5 ， 即可 以节省 5 7 ． 4 5 ％的电能 ， 其经济效益显著。 4 现场应用情况 基于 P L C与上位机 的矿井通风机智能化监控 系统 已于 2 0 1 2年 1 0月在 内蒙古某煤矿的主通风机 房中正式投入运行 ， 该 系统 的应用实现了主通风机 设备 的在线实时监测、 远程监控和智能化管理 ， 使通 风机房具备了无人值守 的条件。现场实际应用结果 表明， 该系统操作简单方便、 运行稳定可靠、 节能效 果显著 ， 达到了系统设计要求和技术指标。该 系统 运行至今 ， 已成功处理了两起 由于接线端子松动而 引起 的报警 ， 收到了很好的效果。 5结语 基于组态 软件和 P L C研制 的矿井通风机监控 系统 ， 具有实时监控、 工况调节、 综合报警 、 远程操作 与集 中管理等功能 ， 可保 障通风机设备在最优状态 安全运行 。通过实际应用表 明 1 系统 以 P L C为核心 ， 采用 R S 4 8 5 、 Mo d b u s 和 P R O F I B U S等现场总线 ， 保证 了系统数据传输和 运行 的可靠性 。 2 基于组态软件 的智能化监控系统 ， 提高了通 风机设备管理 的自动化水平 。 3 采用变频器控制通风机转速 ， 提高了系统对 流量 的控制精度 ， 解决 了通风机设备监控系统 中流 量控制不准确 的难题。 4 矿用主通风机安全与智能化 监控系统 的研 制与应用， 产生了的可观的经济效益和社会效益。 参考文献 [ 1 ] 李玉柱，苑明顺．流体力学[ M] ．北京高等教育出版社， [ 2 ] 吴玉林， 陈庆光． 通风机和压缩机[ M] ． 北京 清华大学出版 社 ， 2 0 1 1 ． 作者简介 陈冬梅 1 9 6 9 一 ， 女， 工程师。现从事实验教学工作。 收稿 日期 2 0 1 3 0 71 5； 责任编辑 姚克