基于WINCC矿用防爆辅助通风机监控系统的设计.pdf

电气防爆 2 0 1 0 ， 4 基于WI N C C矿用防爆辅助通风机监控系统的设计 7 基于 WI N C C矿用防爆辅助通风机 监控系统的设计 张浩 ， 张雅 ， 宋志杰 1 ． 南阳防爆集团上海安智电气发展有限公司， 上海 2 0 1 6 1 5 ； 2 ． 南阳市水利建筑勘测设计院 ， 河南 南阳 4 7 3 0 6 8 [ 关键词]WI N C C； P L C； 组态监控 ； 矿用防爆 ； 智能化矿井 [ 摘要]文章介绍了由组态软件 WI N C C作监控管理 画面 ， 以 S 73 0 0系列 P L C为主控 制器 ， 对矿用 防爆辅助通风机进行检测和控制 ， 详细论述了防爆领域监控系统的软硬件结构及 控制方法 ， 为矿用风机系统提供 了完善 的智能化控制方案。 [ 中图分类号] T D 4 4 1 T D 7 6 [ 文献标识码] A [ 文章编号] 1 0 0 4 9 1 1 8 2 0 1 0 0 4 一 O O 0 7 0 4 De s i g n O n M o n i t or e d Co n t r o l S y s t e m f o r Ex Au x i l i a r y Ve n t i l a t o r i n Co a l Mi n e B a s e d o nⅥ CC Z HAN G Ha o ，珊 A N G Y ，S ON G i i i e 1 ． N a n y a g E x p l o s io n P r o t e a i o n C , r o lq ， E le a r i c D e v e l o p m e n t C o ． ， ． ， 喇,2 0 1 6 1 5 ； 2 ． N a n y a n g S me y i r a n d 9 e s i I n s t i t u t e of 蹴r R e s o u r c e s a n d A r c h i t e c t u r e ， t t e n a n N c a n g 4 7 3 0 6 8 Ke y wo r d s W C C ；P i E；c o n fi g u r a ti o n mo n i t o r；e x p l o s i o n p r o t e c t i o n i n mi n i n g ；i n t e l l e c t u a l i z a fi o n s h a f t Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，i t i n t r o d u c e s a mo nit o r i n g s y s t e m wh i c h a d o p t e d a c o nfi g ur a t i o n W I NC C a s a mo nito r ma n a g e me n t n n t l a n d S 73 0 0 s e rie s PJ J C a s t h e ma s t e r con t r o ll e r t o d e t e c t a n d c o n t r o l t h e Ex a u x i l i a r y v e n til a t o r i n c o a l mi l l e．B a s e d o n t h i s ，s o f t h a r d wa r e s t r u c t u r e a n d c o n t r o l l i n g me an s a p p h e d i n mo n i t o r e d con t r o l s y s t e m i n Ex fi e l d a r e d i S C U S S e d i n d e t a i l s，i n t h i s wa y，the p e rfe c t i n t e l l e c t u ali z a t i o n c o n t r o H i n gh e me i s p r o v i d e d f o r mi l l e v e n t i l a t o r s y s t e m． 0 引言 进 行 发布。 煤矿用防爆通风机是矿井的四大主要设备之 一 ，是整个矿井 的“ 呼吸系统” ， 称为矿工的第二生 命 ， 必须寻求在该防爆环境下有效 的监管、 监控手 段。对此 ， 我们针对煤矿井下 回风巷 辅助通风 机设备 ， 采用先进 、 可靠 的传感器及计算 机技术 ， 系统性提出防爆通风机 的控制和流量监测方法 ， 实现了煤矿井下对通风系统的风压 、 流量 、 通风机 性能参数、 配套 电机工作参数及状态的在线实时 监测 ， 满足防爆 、 监控 、 自动化的要求 ， 有力地保证 了通风机设备的经济、 可靠运行 。 该监控系统软件还具有矿井需求风量核定计 算功能， 便于煤矿对矿井通风风量实施动态管理， 而且监测数据、 历史记录、 事故报警、 报表 日志等 数据部分可上传到上位机存储备份或者通过网络 1 系统的构成 该辅助通风机控制系统包括 防爆通风机系 统、 防爆配电系统、 防爆控制系统和在线监控系统 共 4大部分组成。 防爆通风机系统采用两套煤矿井下用防爆对 旋式辅助通风机 F B C D F系列对旋轴流式辅助通 风机 ， 两套风机 每套风机配置 2台 Y B F系列对 旋风机矿用隔爆型三相异步电动机 ， 一用一备 ， 符合煤矿安全规程 。风机整体采用分段组合式结 构 ， 带底脚及行走脚轮 ， 一、 二级主机采用横 向导 轨侧向移动， 方便安装维修。风机外壳上设置在 线检测所用的采压环。风机系统整机取得井下用 风机的煤安标志证书， 采用电机直接反转达到“ 反 风” 要求， 符合井下用通风机的相关规范要求。 [ 收稿日期] 2 0 1 0 0 7 2 8 [ 作者简介] 张浩， 男， 1 9 7 6 年出生， 毕业于合肥工业大学电气自动化专业， 助理工程师， 主要从事防爆电气和自动化产品设计工 作 。 8 基于 WI N C C矿用防爆辅助通风机监控系统的设计 电气防爆 2 0 1 0 ， 4 防爆配电系统采用单母线分段制方式， 采用 2 台P B G系列矿用高爆开关实现两路可靠电源进 线， 分别经矿用隔爆型 电力变压器进行 电压调整 可选 、 3台采用矿用馈 电开关实现两路 电源 的 联络和两台风机的配电， 即可实现两进线 电源的 互为备用， 保证整个系统运行的可靠性， 进而保障 通风机 2 4小时运行的连续性 ； 另外 ， 采用 4台矿 用隔爆兼本质安全型真空磁力启动器或软启动器 及其 内置的微机保护测控装置为风机电机主控设 备 ， 实现风机 电机的启动 、 运行、 反风、 保护。 防爆通风机系统和防爆配电系统见下图 1 所 示 。 图 1 防 爆 通 风 机 系统 和 防 爆 配 电 系统 防爆控制系统采用 G K D系列矿用一般型控 际运行和保护情况 ， 井上操控 台 调度室 非防爆 制柜 ， 内置双电源 自备投开关 ， 为矿下风机辅助设 领域选择 E V O C品牌工控机、 井 下防爆控制系统 备如风门电机、 冷却风机、 润滑设备、 仪表等提供 采用 S 7 3 0 0 一 P I E主控制器和数套高精度防爆 可靠运行电源。控制部分主要以s 7 3 0 0系列可 物理量、 电参量变送器来实现数据采集和控制要 编程控制器 P L C 为控制器 ， 通过对现场电控 、 风 求 机、 电机、 风门等设备状态数据进行采集、 分析、 计 工业控制计算机 E V O C品牌 Ⅱ 】C一 6 1 0 工控 算。该系统就地设置触摸屏 ， 能够就地控制电机 机 ， 1 7英寸液晶显示器 ， 配不间断 电源 U P S ， 激光 及其外围设备 ， 并就地显示设备工作状态与故障 打印机。 类型。该防爆控制系统通过通讯模块与煤矿井上 矿用一般型电气控制柜， 内置主控制器 电源 上位机监控系统对话 ， 发出信息和接受指令 ， 具有 模块 P S 3 0 7 、 c P U 3 1 4 型号 6 E S 7 3 1 4 、 数字 量输 出 漏 电闭锁、 过流保护、 过载保护 、 断相保护等功能， 模块 S M 3 2 2 型号 6 E S 7 3 2 2 、 数字 量 输 入 模 块 满足煤矿防爆电气设备技术要求。 S M 3 2 1 型号 6 E S 7 3 2 1 、 模拟量输入模块 S M3 3 1 型 风机在线监控系统采用工业计算机做为物理 号 6 E S 7 3 3 1 。 平台， 以组态软件 Wl N C C 做监控管理界面 ， 矿井 压力变送器 防爆压力传感器 4 路 ， 用于两台 下铺设光纤通讯 网络 ， 对 P I E采集 的数据或发 给 辅助通风机内静压 、 全压、 动压 、 风速及风量的测 P I E的数据进行管理 ， 实时监测矿井风压和风量、 量。 通风机功效和振动、 风机电机的轴承和绕组温度 温度传感器 电机内置温度传感器和防爆轴 以及对主通风机和风门的控制、 状态信号反馈， 确 承温度传感器 l O路， 测温范围 一2 0 q C 保及时发现矿井通风异常情况， 发出报警信息， 并 1 8 0℃， 可对 4 台电机的 A 、 B 、 c相绕组温度及轴 且根据综合信息自动或指导值班员进行电源互 承的温度进行同时监测。 换、 风机自备投、 反风倒机等措施， 实现安全监控。 振动传感器 防爆振动位移变送器4 路， 振动 1 ． 1 系统硬件组成 测量范 围 0～2 0 n m l ／ s ， 分别用于 2台风机水平 和 根据煤矿井下辅助通风机及其配套设备的实 垂直方向的振动情况进行实时监测。 电气防爆 2 0 1 0 ， 4 基于WI N C C矿用防爆辅助通风机监控系统的设计 9 电量变送器 为适应不 同品牌的电机保护产 品， 本系统对电参量采用标准输入信号 1 0 0 V或 5 A ， 输出信号 4 2 0 m A的电量变送器数套， 精度 为 0 ． 2 级 。 综合上述输入、 输出参数， 可以整理出该系统 P L C的部分 I ／ O点简表如下表 1 所示。 表 1 I ／ O点表 符号 地址 数据类型 符号 地址 数据类型 1 差压 P I W 2 5 8 W0 R D 2差压 P I W 2 6 2 wo R D 1 风门关 I 1 2 4 ． 1 B O O L 2风门关 I 1 2 4 ． 3 B 0 o L 1 风门开 I 1 2 4 ． O B o o L 2风门开 I l 2 4 ． 2 B O O L 1 负压 P I W 2 5 6 wo f u 2负压 p 1 w 2 6 o wo R D 1 电流 p 1 w 3 o 8 wo R D 2电流 p 1 w 3 1 o wo R D 1 温度 D B l F B 2 2电机温度 D B 2 F B 2 1 电压 p t w 3 0 4 wo R D 2电压 P 1 W 3 0 6 WOR D 1 换向柜反转 l 1 2 5 ． 3 B O L 2换向柜反转 I l 2 5 ． 5 B O 0 L 1 换向柜正转 I 1 2 5 ． 2 B O O L 2 换 向柜正转 】 1 2 5 ． 4 B O O L 1 进线 柜故障 I 1 2 4 ． 7 B 0 L 2 进线柜故障 I l 2 5 ． 1 B O O L 1 进线柜合闸 I 1 2 4 ． 6 B 0 o L 2 进线柜合闸 I l 2 5 ． O B 0 0 L 1 启动柜故障 I 1 2 5 ． 7 B O 0 L 2 启动柜故障 I 1 2 6 ． 1 B 0 o L 1 启动柜合 闸 I 1 2 5 ． 6 B O O L 2 启动柜合闸 I 1 2 6 ． O B O O L 1 振动 M 1 1 ． 0 B o o L 2振动 M l 1 ． 1 B 0 o I | 2 ． 2 与上位机的通讯 结合煤矿井下 防爆要求 ， 为实现井下信号的 远距离传输， 在防爆控制系统和在线监控系统之 间增加光纤转换器 ， 采用光纤系统实现信号传输 。 西门子 s 7 P L C与组态 软件 W C通 过 M P I 协议通讯 ， 在 WI N C C上对 s 7 C P U的站地址和槽 号及网卡进行组态。 M P I 网卡 C P 5 6 1 1 插入工控机上 ， 在工控机上 组态 P G ／ P界面 ； 在 WI S I C C上添加 S I A M T I C S 7通 讯协议 ； 选择 P R O F I B U S现场总线并进行系统参 数设置 ； 建立 C P U连接 ， 选择 C P U的站地址和槽 号等， 完成通讯连接 ；将 s 73 0 0与 Wi n C C之 间 需要通信 的数据 一一 定义标 签 ， 即完 成 了 s 7 3 0 0 与Wi n C C 之间的数据通信。 2 控制功能的实现 2 ． 1 控制算法 通风机风压 的监测 压力监测原 理是采用分 体式组合动压管法。设计的分体式组合动压管由 总压管、 静压管组成 ， 测得总压和静压。测点选择 在风机 的入 口， 将取得的压力信号通过防爆压力 传感 变送 器转换成电信号。 通风机流量的计算 由总压和静压计算出动 压 ， 通过如图 2 所示截面测得的压力并根据公式 q k ／ p 2 一 P 当流量足够大时式中系数k 值为 常数 ， 即可计算出流量。 2 ． 2 监控系统的实现 根据在线监控系统的功能和需要 ， 采用工控 组态软件 Wi n C C根据风机运行工艺要求与控制 内容 ， 完成登录界面 点击登录并且输入用户名和 密码 、 通风机 主界 面、 1 样、 2群单 台风机运行界 面、 风机参数实时数据曲线、 风机性 能醢线 、 报警 界面的设计 ， 并 同时将需要显示的数据进行实时 动态显示 。系统的各种控制参数 、 风机和电机参 数及生成的数据库均可 自动存储， 实时查询 ， 报表 打印。具体界面设计如下 图 2 流 量 监 测 原理 图 运行程序文件后 ， 进入登录界面， 点击登 录 并且输入用户名和密码 ， 可 以根据用户需求设置 当班值日 登录界面。 登录成功后 ， 电机 主界面可 以观看两个 风机 的运行状态 ， 该界面非常友好的模拟显示主通风 1 O 国家防爆电气产品质量监督检验中心顺利通过 I E C E x 实验室复评审 电气防爆 2 0 1 0 ， 4 国家防爆电气产品质量监督检验中心 顺利通过 I E C E x 实验室复评审 2 0 1 0年 l 0月 1 4日 一1 5日， 由国际电工委员 会防爆电气产品认证体系 简称 I E C E x 专家 H i e n z B e r g e r 先生和 A i a y Ma i r a 先生组成 I E C E x评审组 ， 对国家防爆电气产 品质 量监督检验中心 C Q S T 进行了为期两天的 I E C E x 实验室复评审。 评审中， 两位专家分别对 C Q S T的质量管理 体系和试验能力进行了评审和现场 目击 评审组 组长 H i e n z B e r g e r先 生 认 真 仔 细 的 对 C Q S T的 C N A S授权试验范围、 质量手册、 程序文件 、 作业指 导书、 人员资质能力档案、 设备校准资料、 保密协 议等资料进行 了抽样 审查 ； 评审专 家 A j a y M ai m 先生则对 C Q S T的防尘防水试验、 热老化试验 、 冲 击试验等 1 3 项试验项 目进行了现场 目击评审， 并 对近几年 C Q S T的 I E C E x试验报告进行 了抽样审 查。两位专 家对 C Q S T作为 E x实验室 E x T L 所 拥有的完善质量体系以及优秀的试验能力表示高 度认可， 对 C Q S T工作人员的专业能力表示高度 赞扬 ， 并得出一致 结论 C Q S T以零缺陷 的优异成 绩通过 I E C E x复评审 ， 可 以继续作 为 I E C E x授权 实验室承担 I E C E x 认证试验工作。 此次 C Q S T通过复评 审是继 2 0 0 5年取得 E 】 【 实验室 酞rI L 授权之后的又一件大事 。作为在业 内广受好评的 C Q S T能取得 I E C E x授权成为 r I L 并通过复评审 ， 充分说 明了 C Q S T在 防爆领域 内 的能力 已经得到了国际认可， 这也是对 C Q S T人 工作认真， 作风严谨， 思维创新的高度肯定和褒 奖 ； 另一方面， 这也对我国防爆电气产品生产企业 取得国际认证 、 中国防爆产品走 向世界提供了更 加便捷 的途径。 刘思敬供稿 机内风向、 电机运转方 向、 风 门开闭状态； 在此界 面实时显示风机运行参数以及井下通风状况。 通风机参数实时监控界面 该界面采用文本 格式全面显示每台电机的电参数、 温度参数、 风机 参数以及报警参数 的设定 。 通风机历史数据 曲线显示界 面 通过归档历 史数据生成的历史趋势在系统 中的显示 ， 有助于 管理人员对主风机运行状态实时监控， 并能及时、 方便地查找出过去运行监控数据 。 为形象、 直观、 快捷了解通风机配电系统的运 行 ， 指导值班员进行 电源切换、 主备风机切换 、 反 风演习及控制 ， 特制作配电系统一次模拟线路体 如下， 查看配电系统运行状态。 2 ． 3 监控系统 的特点 在通风机风道 内没有任何取压装置 ， 采用 隔 爆型压力变送器 ， 系统安全性好。 所有防爆变送器均采用稳压 电源供 电， 采用 屏蔽电缆传输信号， 信号抗干扰能力强， 系统可靠 性高。 软件采用先进 的计算机技术 ， 功能强大 ， 智能 化程度高 ； 以图形界面显示工作状态 ， 界面友好 。 防爆电量、 物理量传感 变送 器， 可靠性好、 精度高， 监测数据准确。 操作简单快捷、 维护方便。 3 结束语 本系统综合 运用了现代风机通 风量监测 理 论， 以国家标准“ 通风机空气动力性能试验方法” 和煤炭行业标准“ 煤矿用主要通风机现场性能参 数测定方法” 为依据 ， 结合矿用 防爆要求 ， 通过对 矿用防爆电器设备的合理设计 ， 将矿井下 防爆 电 器设备与井上工业计算机相结合 ， 运用数据采集 与控制技术 ， 对矿井下防爆通风机进行就近控制 和运行状态进行连续在线监控 ， 对通风机运行 曲 线及风量特性曲线进行优化处理， 达到了对煤矿 井下防爆通风机运行的最佳控制和安全运行。本 系统经过煤矿井下的实践稳定运行， 改变传统的 设备管理方式， 保证井下防爆通风机和防爆电控 设备的经济、 可靠运行， 提高煤矿井下防爆通风设 备的自动化管理水平 。 参考文献 [ 1 ] 崔坚， 李佳 ． 西门子工业网络通信指南 上册 [ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 o o 8 ． [ 2 ] 胡宗雄， 叶汝陵． 煤矿用主要通风机现场性能参数测 定方法[ M] ． 北京 中国煤炭工业出版社， 1 9 9 7 ．